[论文解读] Robustness and modular design of the Drosophila segment polarity network

Wenzhe Ma, Luhua Lai+2 more|ArXiv.org|Oct 17, 2006

Neurobiology and Insect Physiology Research参考文献 31被引用 10

一句话总结

本研究通过计算分析果蝇原肠胚层极性网络的拓扑鲁棒性，发现仅一小部分网络结构能可靠地执行模式形成功能。野生型拓扑结构属于最鲁棒的类型之一，所有鲁棒设计均具有模块化特征，由三个不同的功能模块组成，这些模块协同作用，在生物约束条件下实现稳定性和可演化性。

ABSTRACT

Biomolecular networks have to perform their functions robustly. A robust function may have preferences in the topological structures of the underlying network. We carried out an exhaustive computational analysis on network topologies in relation to a patterning function in Drosophila embryogenesis. We found that while the vast majority of topologies can either not perform the required function or only do so very fragilely, a small fraction of topologies emerges as particularly robust for the function. The topology adopted by Drosophila, that of the segment polarity network, is a top ranking one among all topologies with no direct autoregulation. Furthermore, we found that all robust topologies are modular--each being a combination of three kinds of modules. These modules can be traced back to three sub-functions of the patterning function and their combinations provide a combinatorial variability for the robust topologies. Our results suggest that the requirement of functional robustness drastically reduces the choices of viable topology to a limited set of modular combinations among which nature optimizes its choice under evolutionary and other biological constraints.

研究动机与目标

• 理解功能鲁棒性如何限制生物分子网络的可行拓扑结构。
• 研究天然存在的果蝇原肠胚层极性网络拓扑为何在进化中占优势。
• 识别支撑鲁棒网络功能的结构与组织原则，尤其是模块化特征。
• 确定功能鲁棒性是否将可行网络架构的空间缩减为有限的模块化组合。
• 探讨鲁棒性在发育模式形成网络中的进化意义。

提出的方法

• 对所有可能的网络拓扑结构进行全面计算筛选，以确定其是否具备原肠胚层模式形成功能。
• 评估每种拓扑结构在参数变化下维持稳定空间模式的鲁棒能力。
• 使用布尔模型和微分方程模型模拟网络动态，并评估其功能表现。
• 识别并分类对鲁棒性有贡献的重复子网络基序（模块）。
• 将野生型果蝇原肠胚层极性网络与所有其他拓扑结构在鲁棒性和模块化方面进行比较。
• 追溯每个模块的功能起源，确定其在整体模式形成机制中的具体子功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些网络拓扑结构能够在果蝇胚胎发育中鲁棒地执行原肠胚层模式形成功能？
• RQ2 实际果蝇原肠胚层极性网络的拓扑结构与其它可能的拓扑结构相比，其鲁棒性如何？
• RQ3 哪些结构特征——尤其是模块化——特征化了最鲁棒的网络架构？
• RQ4 网络的功能鲁棒性是否可追溯至特定子功能及其模块化整合？
• RQ5 对鲁棒性的要求在多大程度上限制了网络拓扑结构的进化探索空间？

主要发现

• 在所有可能的网络拓扑结构中，仅有极小部分具备足够鲁棒性以可靠执行原肠胚层模式形成功能。
• 在排除具有直接自调节的拓扑后，野生型果蝇原肠胚层极性网络位列最鲁棒的拓扑结构之首。
• 所有鲁棒的网络拓扑结构均具有模块化特征，由恰好三种功能模块组成，分别对应模式形成过程中的不同子功能。
• 这三种模块分别对应细胞命运决定的反馈机制、信号传递机制和边界稳定机制。
• 模块化架构使得鲁棒网络设计具有组合多样性，表明其进化景观受到约束但具有灵活性。
• 功能鲁棒性将可行的拓扑空间大幅缩减为有限的模块化组合，这很可能是自然界在生物约束下优化的结果。