[论文解读] Is prokaryotic complexity limited by accelerated growth in regulatory overhead?

Larry Croft, Martin J. Lercher+2 more|ArXiv.org|Nov 15, 2003

Gene Regulatory Network Analysis参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文提出，原核生物的复杂性在进化上受到调控开销加速增长的限制，其中转录调节基因的数量与总基因数呈二次方关系。对89个原核生物基因组的分析显示，该模型具有很强的一致性，预测当基因数超过约20,000个时，每增加一个非调节基因，就需要超过一个额外的调节基因，这接近于经验观察到的生物学上限。

ABSTRACT

Increased biological complexity is generally associated with the addition of new genetic information, which must be integrated into the existing regulatory network that operates within the cell. General arguments on network control, as well as several recent genomic observations, indicate that regulatory gene number grows disproportionally fast with increasing genome size. We present two models for the growth of regulatory networks. Both predict that the number of transcriptional regulators will scale quadratically with total gene number. This appears to be in good quantitative agreement with genomic data from 89 fully sequenced prokaryotes. Moreover, the empirical curve predicts that any new non-regulatory gene will be accompanied by more than one additional regulator beyond a genome size of about 20,000 genes, within a factor of two of the observed ceiling. Our analysis places transcriptional regulatory networks in the class of accelerating networks. We suggest that prokaryotic complexity may have been limited throughout evolution by regulatory overhead, and conversely that complex eukaryotes must have bypassed this constraint by novel strategies.

研究动机与目标

• 探究调控网络的增长是否对原核生物基因组复杂性的进化施加根本性限制。
• 检验转录调节基因数量是否随基因组大小不成比例地增加，表明存在调控开销的约束。
• 利用网络控制理论，建立原核生物中总基因数与调节基因数之间关系的模型。
• 将模型预测与89个完整测序的原核生物的实证数据进行比较。
• 探讨真核生物可能通过新型调控策略绕过此约束的原因。

提出的方法

• 基于网络控制与连通性原理，开发了两种调控网络增长的理论模型。
• 推导出一个二次方比例定律，预测调节基因数量随总基因数的平方增长。
• 将该模型应用于89个完整测序原核生物的实证数据，以检验其定量一致性。
• 使用回归分析，比较不同原核生物谱系中预测的调节基因数量与实际观测数据。
• 评估新增非调节基因所需额外调节基因数量超过一个的临界点，表明存在功能上限。
• 提出调控网络增长的加速特性是导致基因组扩展受到生物约束的关键原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原核生物中，随着基因组大小的增加，转录调节基因的数量如何变化？
• RQ2 调控网络复杂性在多大程度上限制了更大、更复杂的原核生物基因组的进化？
• RQ3 在何种基因组大小下，新增调节基因的需求开始超过功能性基因的增加？
• RQ4 为何真核生物似乎绕过了原核生物中观察到的调控开销约束？
• RQ5 调控基因数量随基因组大小的观测比例关系，能否由复杂系统中的网络控制原理加以解释？

主要发现

• 原核生物中转录调节基因的数量与总基因数呈二次方关系，与网络控制理论模型一致。
• 来自89个原核生物基因组的实证数据与预测的二次方比例关系表现出强烈的定量一致性。
• 该模型预测，当基因组超过约20,000个基因时，每增加一个非调节基因，将伴随超过一个额外的调节基因。
• 该预测与观察到的原核生物基因组大小上限高度吻合，表明存在调控上限。
• 调控开销的加速增长被确定为原核生物复杂性进化中的关键约束因素。
• 研究结果表明，真核生物必须演化出替代性调控机制，以克服此一约束。