[논문 리뷰] A Developmental Network Theory of Gynandromorphs, Sexual Dimorphism and Species Formation

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 21.

Morphological variations and asymmetry참고 문헌 109인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 부모의 발달 제어 네트워크(CENEs) 간의 협동적이고 갈등적인 상호작용을 통해 성별이 뒤섞인 개체(gynandromorph)의 형성을 설명하는 발달 네트워크 이론을 제안한다. 이 이론은 세포 결정 및 양측 대칭성을 조절하는 CENEs를 중심으로 하며, 성별 이형성과 종 분화를 이해하는 데 새로운 프레임워크를 제공한다. 특히, 염색체 이상 외에도 에피제네틱적 세포 극성과 네트워크 수준의 상호작용이 gynandromorphy의 원인이 될 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Gynandromorphs are creatures where at least two different body sections are a different sex. Bilateral gynandromorphs are half male and half female. Here we develop a theory of gynandromorph ontogeny based on developmental control networks. The theory explains the embryogenesis of all known variations of gynandromorphs found in multicellular organisms. The theory also predicts a large variety of more subtle gynandromorphic morphologies yet to be discovered. The network theory of gynandromorph development has direct relevance to understanding sexual dimorphism (differences in morphology between male and female organisms of the same species) and medical pathologies such as hemihyperplasia (asymmetric development of normally symmetric body parts in a unisexual individual). The network theory of gynandromorphs brings up fundamental open questions about developmental control in ontogeny. This in turn suggests a new theory of the origin and evolution of species that is based on cooperative interactions and conflicts between developmental control networks in the haploid genomes and epigenomes of potential sexual partners for reproduction. This network-based theory of the origin of species is a paradigmatic shift in our understanding of evolutionary processes that goes beyond gene-centered theories.

연구 동기 및 목표

• 장기간에 걸쳐 성별이 뒤섞인 개체의 발달 과정을 설명하는 데서 발생하는 모순을 해결하고, 특히 염색체 분포와 발달 네트워크 역학의 역할을 규명한다.
• 유전적으로 정상적인 세포로도 gynandromorph가 형성될 수 있음을 입증하여, 성 발달에 대한 유전자 중심 시각을 도전한다.
• 부모의 CENE 간의 상호작용이 불일치할 경우 발생하는 메타네트워크 상호작용의 결과로 종 형성이 일어나게 되는 바탕을 재정의함으로써 진화 이론에 패러다임 전환을 제안한다.
• 다양한 형태의 gynandromorph 발달을 모델링하고 시뮬레이션하기 위한 계산 기반 프레임워크를 제공한다.
• 이 이론이 단성 병리(예: 반쪽성 비대)와 진화적 역행(예: 후생적 특성의 재현, atavisms)을 이해하는 데 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 단일 수정 세포에서 출발하여 4차원 시공간에서 다세포 발달을 시뮬레이션하기 위해 Cellnomica의 소프트웨어 스위트를 사용한 계산 모델 개발.
• 유전체, 에피유전체, 세포 방향성을 통합하는 계층적 시스템으로서 발달 제어 네트워크(CENEs)를 모델링하여 세포 분화와 형체 형성 조절.
• genomic 정보를 세포 극성과 상대적으로 해석하고, 유전자 조절 네트워크(GRNs)를 통해 발달 프로그램을 실행하는 해석-실행 시스템(IES) 구현.
• 결정론적 및 확률적 네트워크 역학을 시뮬레이션하여, 양측 대칭형과 비양측 대칭형을 포함한 gynandromorph 표현형의 다양성을 포착.
• 부모의 CENE 간의 이형성 상호작용을 모델링하기 위해 메타네트워크 서명 변환을 사용하여 임신 가능성 및 종 분화 결과를 예측.
• 네트워크 조합론을 적용하여 가능한 gynandromorphic 형태를 매핑하고, 네트워크 호환성과 에피유전적 유전 기반의 제약 조건을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 염색체 조성이 정상인 상태에서 어떻게 gynandromorph가 형성될 수 있는가? 이는 염색체 분할 가설에 도전한다.
• RQ2 에피제네틱적 세포 극성과 편측성(handiness)은 gynandromorph에서 양측 대칭성과 형태적 분화를 어떻게 조절하는가?
• RQ3 부모의 발달 제어 네트워크(CENEs) 간의 상호작용은 어떻게 생존 가능한 배아 발생을 결정하고 생식적 고립에 기여하는가?
• RQ4 유전적 다형성 외에도, 부모의 CENE 간 메타네트워크 연결의 변화가 새로운 종 형성의 원인이 될 수 있는가?
• RQ5 기존의 CENE 서명에서 유추된 gynandromorph 유사 형태를 얼마나 정밀하게 역공학적으로 재구성할 수 있는가? 이를 통해 고대 발달 프로그램을 재구성할 수 있는가?

주요 결과

• gynandromorph는 염색체 이상 없이도 형성될 수 있으며, 이는 에피제네틱적 세포 극성과 네트워크 자율성이 성별 이형성을 유도하는 데 충분하다는 것을 입증한다.
• 세포의 편측성과 방향성은 에피제네틱적으로 유전되며 네트워크 자율적이다. 즉, gynandromorph의 각 양측 반쪽은 별개의 CENE 프로그램에 따라 발달할 수 있다.
• 성별 반쪽의 형태적 차이를 결정하는 것은 호르몬이 아니라 발달 제어 네트워크(CENEs)이다.
• 염색체 분할의 비균형은 부모의 CENE 간 메타네트워크 연결 방식을 변화시킬 경우에만 gynandromorphy를 유도하며, 직접적인 유전적 영향 때문이 아니라는 점을 밝혔다.
• 종 형성의 원인은 유전적 다형성 자체가 아니라, 부모의 CENE 간 메타네트워크 프로토콜의 불일치에서 기인하며, 이는 네트워크 기반의 종 분화 메커니즘을 시사한다.
• 이 이론은 비양측 대칭형을 포함한 다양한 gynandromorphic 형태의 계산적 시뮬레이션을 가능하게 하며, 이전에 알려지지 않은 미세한 형태의 존재를 예측할 수 있다.