От бактерий до человеческого рода многочисленные механизмы обеспечивают точность переносимой информации и ей фенотипических проявлений. В самом деле, сталкиваясь с изменяющимися внешними условиями, организмы д. сильными, чтобы выжить. Эволюционные успехи также нуждаются в приспособленности, или посредством фенотипической пластичности или генерации и отбора наследуемых биологических новшеств. Хотя генотип безусловно предопределяет развитие и характер экспрессии, силы отбора в конечном итоге оперируют на уровне фенотипов. Механизмы, которые влияют на способность генетических вариантов изменять признаки, могут оказывать фундаментальное воздействие на адаптивный ландшафт.

Некоторые свойства более устойчивы к воздействию внешних условий и к генетическому фонц, чем остальные. Канализованный признак стабилен перед лицом генетических или средовых пертурбаций (Fig. 1A). Напр., многие аспекты крупной морфологии (т.е. план тела и системы органов у животных) воспроизводятся при широком разнообразии внешних сред и генетических фонов. ДР. признаки менее канализованы. У Caenorhabditis elegans, напр., генетические и внешне-средовые пертурбации с готовностью дают различия в распределении полов, плодовитости и накоплении жира, но в меньшей степени воздействуют на количества клеток и клоны или перемещения и развитие глотки, вульвы и др. органов [1]. В противоположность животным, план тела растений и морфология значительно более чувствительны к изменениям среды благодаря непрерывному развитию; тем не менее, качественных характеристики органов в основном сохраняются даже перед лицом сильных стрессов [2].

Fig. 1. Canalization minimizes phenotypic variation.

A. Quantitative traits exhibit some degree of variation, represented here by a distribution. A canalized trait shows tight distributions (blue) regardless of genetic or environmental perturbation. Some traits can be de-canalized by environmental or genetic perturbations, which increases the degree of phenotypic variation (green). B. A possible mechanism of assimilation of a new phenotype occurs via de-canalization. Over several generations of selection for a crossveinless wing phenotype in Drosophila, the rare phenotype was assimilated to a large fraction of the population.

Как подчеркивалось в некоторых предыдущих обзорах, удивительная фенотипическая устойчивость организмов дикого типа обычно обусловлена свойствами лежащих в основе генетических сетей, такими как генетическая перекрываемость, связи внутри сети, петли обратной связи, модулярность и присутствие microRNAs [1,[3] - [27]]. У модельных организмов пертурбации любого из этих механизмов или изменения внешней среды могут снижать фенотипическую устойчивость и высвобождать скрытую генетическую изменчивость [3,[10]-[12],20,[28]-[33]].

Канализация может быть благоприятной при постоянных окружающих условиях или даже когда присутствуют слабые флюктуации, поддерживая среднее распределение фенотипов, которые сильно заточены на то, чтобы быть адаптивными в родоначальной популяции [34]. Однако, в экстремальных случаях канализация может создавать фенотипический запор ('lock-in'), который может оказаться неблагоприятным, если средовые сдвиги таковы, что раннее распределение фенотипов оказываться плохо приспособленным [35]. Здесь мы сконцентрировались на стрессами регулируемом молекулярном шапероне Hsp90 как механизме канализации, который предлагает некоторые решения этого парадокса, связывающего степень канализации признака с тяжестью внешне-средовых изменений.

Итак, мы рассматриваем вклад молекулярного шаперона Hsp90, белка, облегчающего укладку многих ключевых регуляторов роста и развития, в канализацию фенотипа - и в де-канализацию во время стрессов - базируясь на исследованиях эукариот столь разных как хлебопекарные дрожжи, мышиный ear cress, и слепые Mexican cavefish. Hsp90 является ступицей из ступиц (hub of hubs), который взаимодействует со многими т.наз. 'client proteins,' которые затрагивают практически каждый аспект передачи клеточных сигналов и физиологии. Поскольку Hsp90 облегчает укладку клиентских белков и обеспечивает их стабильность, он может эпистатически супрессировать или делать возможной экспрессию генетических вариантов своих клиентских и др. белков, которые приобретают статус клиентских благодаря мутациям. Обширная сеть взаимодействий Hsp90's объясняет широту его фенотипического размаха, включая Hsp90-зависимые de novo мутации и эпигенетические эффекты на регуляцию генов. Прирожденные связи между внешне-средовыми стрессами и функцией Hsp90 т.о. наделяют живые системы фенотипической пластичностью при флюктуирующих внешних условиях. Когда пертурбации внешних условий меняют функцию Hsp90, то они также изменяют взаимодействия Hsp90's с его клиентскими белками, тем самым преобразуются связи в сетях, которые предопределяют генотип-фенотипические карты (genotype-to-phenotype map). Возникающий в результате фенотип де-канализации создает фенотипическое разнообразие, которое не просто стохастическое, но часто имеет лежащий в основе генетический базис. Т.о., крайние фенотипы могут быть отобраны и ассимилированы так, что они больше не нуждаются в возникновении внешне-средовых стрессов. Кроме того, действуя на устоявшиеся (standing) генетические вариации, пертурбации Hsp90 также оказываются сцепленными с повышенными частотами de novo вариантов и некоторыми эпигенетическими феноменами, все с потенциалом генерировать наследуемые фенотипические изменения. Здесь мы попытались прояснить и обсудить множественные способы, с помощью которых Hsp90 может влиять на фенотип и возможные эволюционные изменения и идентифицировать лежащие в их основе общие свойства: по сути, Hsp90 взаимодействует эпистатически посредством своей функции шаперона со многими др. генами и их генными продуктами. Он влияет на фенотипическую диверсификацию, что неудивительно и скорее всего является фундаментальным свойством генетики.