[论文解读] A Developmental Network Theory of Gynandromorphs, Sexual Dimorphism and Species Formation

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2012

Morphological variations and asymmetry参考文献 109被引用 5

一句话总结

本文提出了一种发育网络理论，通过父母发育控制网络（CENEs）之间的合作与冲突相互作用，解释了雌雄嵌雄（gynandromorph）的形成机制，这些网络调控细胞命运与两侧对称性。研究表明，gynandromorphy不仅源于染色体异常，也源于表观遗传细胞极性与网络层面的相互作用，为理解性二态性与物种形成提供了基于元网络动态的新框架。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来在解释gynandromorph个体发育方面存在的不一致问题，特别是染色体分布与发育网络动态之间的角色争议。
• 确立即使在染色体正常的情况下，gynandromorph仍可形成，从而挑战以基因为中心的性发育观。
• 通过重新定义物种形成为父母CENEs之间不相容的元网络相互作用的结果，推动进化理论的范式转变。
• 提供一个计算框架，用于建模与模拟不同形态下gynandromorph发育的全过程。
• 探讨该理论对理解单性病理（如半侧肥大）及进化逆序（祖先重现，atavisms）的启示意义。

提出的方法

• 利用Cellnomica软件套件开发计算模型，从单个体细胞出发，在四维时空内模拟多细胞发育过程。
• 将发育控制网络（CENEs）建模为分层系统，整合基因组、表观基因组与细胞取向，以调控细胞分化与形态发生。
• 实现解释-执行系统（IES），根据细胞极性解释基因组信息，并通过基因调控网络（GRNs）执行发育程序。
• 模拟确定性与随机性网络动态，以捕捉gynandromorph表型的变异，包括两侧对称与非两侧对称形式。
• 应用元网络特征变换，建模父母CENEs之间的基因组间相互作用，实现对杂交可育性与物种形成结果的预测。
• 应用网络组合学，绘制可能的gynandromorphic形态图谱，并基于网络兼容性与表观遗传遗传确定约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何解释gynandromorph在染色体组成正常的情况下仍能形成，从而挑战染色体分配假说？
• RQ2 表观遗传细胞极性与手性在建立gynandromorph的两侧对称性及形态分化中起何种作用？
• RQ3 父母发育控制网络（CENEs）之间的相互作用如何决定可存活的胚胎发生，并促成生殖隔离？
• RQ4 物种起源是否可由父母CENEs之间元网络连接的变化来解释，而不仅仅是遗传分化？
• RQ5 在多大程度上可基于现存的CENE特征签名，反向工程出gynandromorph样形态，以重建祖先发育程序？

主要发现

• gynandromorph可不依赖染色体异常而形成，表明表观遗传细胞极性与网络自主性足以驱动性二态性。
• 细胞的手性与取向为表观遗传继承且具有网络自主性，意味着gynandromorph的每一侧半边均可在独立的CENE程序下发育。
• 发育控制网络（CENEs）而非激素，决定了gynandromorph中雄性与雌性半边之间的形态差异。
• 染色体不均等分配仅在改变父母CENEs之间元网络连接时才会导致gynandromorphy，而非通过直接的遗传效应。
• 物种形成源于父母CENEs之间元网络协议的不相容性，而非遗传分化本身，提示存在基于网络的物种形成机制。
• 该理论可实现对多样化gynandromorphic形态（包括非两侧对称形式）的计算模拟，并可预测此前未被发现的细微形态。