The developmental-genetics of canalization | |
|---|---|
|
В серии экспериментов в 1940s и 50s, Waddington продемонстрировал четкое наследование благоприобретенных признаков индуцированного эфиром фенотипа bithorax у плодовых мушек [[1]-[7]]. Он объяснил эти находки как следствие отбора, действующего на процесс развития, который закрепляет фенотип в определенном внешне-средовом контексте. Эта тенденция забуфферивать (buffer) или генетические или внешне-средовые пертурбации известна как канализация и является центром эволюции сложной жизни [1,[8]-[10]]. Изменчивость является необходимой для эволюции. С увеличением сложности эта изменчивость обнаруживает повышенный потенциал вредных эффектов. Поскольку количества взаимодействующих частей и процессов увеличиваются, то возможность изменять любую часть без вредных последствий на др. части снижается. Поэтому неудивительно, что геномы здоровых людей обладают большими количествами вредных мутаций разной тяжести [11]. Однако, эти варианты не приводят к болезни, поскольку их эффекты подвергаются буфферизации. Недавние работы начинают проливать свет на этот вопрос.
Концепция канализации тесно связана с метафорическим эпигенетическим ландшафтом Waddington's и его концепцией эпигенетики. Он использовал все эти три термина в двух очень отличающихся контекстах. Существуют дифференцировка клеток и типов тканей, с одной стороны, и подавление фенотипической изменчивости среди индивидов, с др. стороны. Waddington увидел стабилизацию альтернативных клеточных судеб, напр., и модуляцию фенотипической изменчивости определенного признака в популяции, как отличающиеся выражения одного и того же лежащего в основе феномена на разных шкалах. В эволюционной биологии, наибольший интерес уделяется модуляции фенотипических отклонений на популяционном уровне [8]. Однако, параллельно многочисленные исследования в биологии развития привлекали канализацию при анализе спецификации клеточных судеб [[12]-[15]]. Такое использование концепции Waddington's совпало с мнением о развитии как вероятностным и стохастическим, с необходимостью привлечения механизмов, наводящих порядок на во всем остальном беспорядочный процесс развития [16]. Помимо этого широкого сходства, по-видимому, нет доказательств, что механизмы, отвечающие за буфферизацию фенотипической изменчивости на индивидуальном уровне и те, что стабилизируют судьбы клеток и тканей, являются каким-то образом родственными.
Всё же тот факт, что Waddington считал модуляцию фенотипической изменчивости и стабилизацию путей онтогенетической дифференцировки частью или parcel одного и того же феномена, показателен. Waddington четко представлял себе развитие как прирожденно стохастическое. Т.е., несмотря на свои множественные уровни организации и сложные взаимодействующие компоненты, клетки, ткани и организмы способны проявлять огромную изменчивость, подавляющее большинство из которой вредное [7]. По мнению Waddington's эти влияния осуществляются посредством уровней организации от биохимических основ процессов развития до крупных анатомических признаков [17]. Это ценное, многоуровневое мнение о развитии предсказательных систем биологии, но оно контрастирует с современными системами подходов, таких как метафорические сети регуляторных генов, которые представляют онтогенетические системы на определенном феноменологическом срезе - из генов, генетических взаимодействий и цис-регуляторных сайтов [18]. Waddington полагает, что эти системы, способные к столь значительной изменчивости, д. использовать механизмы её подавления [7]. Он также полагает, что такие механизмы могут существовать на нескольких уровнях развития и что некоторые могут быть прирожденными свойствами систем развития скорее, чем специфическими, посвящёнными (dedicated) механизмами.
Спустя 70 лет после Waddington озвучивая эту идею мы всё ещё не в состоянии обобщенно понять механистические основы канализации. Здесь мы сконцентрируемся только на модуляции изменчивости среди индивидов. Мы полагаем, что объяснение канализации распадается на две группы. Первая подчеркивает специфические молекулярные механизмы, такие как хитшоковые белки [19,20]. Вторая подчеркивает более глубоко внедренные или внезапно всплывающие (emergent) особенности развития. Эта последняя категория включает генетические взаимодействия и избыточность сетей, гетерозиготность и нелинейность процессов развития. Эти объяснения канализации не исключают др. др., но последняя категория, скорее всего, дает общее объяснение. 2. Definitions and related concepts
"Another essential point about histogenesis (and morphogenesis) is that the degree of canalization is under genetic control. That is to say, individuals of some genotypes show a more powerful tendency to regulate to the normal canalised paths of development than do others." Waddington, 1957. P. 20
Канализация и некоторые близко родственные термины используются разными и перекрывающимися способами. Чтобы избежать замешательства, мы определим эти термины ниже и свяжем их один с др. Canalization, или тенденция осуществлять буферизацию изменчивости, или модуляция фенотипической изменчивости, обусловленная факторами иными, нежели генетическая или средовая изменчивость, per se. Фенотипическая устойчивость (robustness) является наиболее общей концепцией, которая включает стабильность развития и канализацию [10,21]. В то время как канализация означает минимизацию изменчивости между индивидами, стабильность развития является тенденцией минимизировать изменчивость среди реплицирующихся структур внутри индивида [22]. Стабильность развития чаще всего измеряется по случайным, нормально распределенным отклонениям от симметрии, или флюктуирующей асимметрии [23]. Канализация и стабильность развития являются частично перекрывающимися феноменами. Это демонстрируется в случае порога или дискретных признаков, когда комбинация частот признака и лежащая в основе стабильность развития предопределяют частоту асимметричной экспрессии [24]. Palmer [25] также полагает существование связи между нарушениями симметрии и крупномасштабными морфологическими переходами, или эжволюционными новшествами. Неизвестно, однако, в какой степени измерения канализации и стабильности развития касаются одного и того же биологического феномена.
Связь канализации и стабильности развития была исследована путем проверки корреляций варианс среди индивидов и для флюктуирующей асимметрии внутри популяций и между популяциями. В последнем случае лишь это сравнение является информативным, если генетические вариансы и внешне-средовые условия контролируются. Изучение этого вопроса оказалось неубедительным, при этом подчеркивается некоторая независимость этих двух компонентов варианс [[26]-[28]], тогда как др. продемонстрировали варьирующие степени ассоциации [[29]-[32]]. Мы недавно сравнивали FA и изменчивость между индивидами как для признаков, так и генотипов у мышей и установили отсутствие достоверных взаимоотношений [33]. Эти результаты подтвердили, что механизмы, управляющие изменчивостью, при измерении канализации и стабильности развития, по крайней мере, частично отличаются.
Фенотипическая пластичность и связанная нормальная реакция перекрываются концептуально с канализацией. Фенотипическая пластичность является просто тенденцией фенотипической изменчивости испытывать зависимость от среды [34]. Норма реакции является предсказуемым взаимоотношением между некоторыми внешне-средовыми факторами и фенотипическими признаками. Эта концепция часто рассматривается как противоположная канализации [[34]-[36]], но это является упрощением. Эта концепция обладает самостоятельной историей и мотивациями. Поскольку канализация мотивируется биологией развития, фенотипическая пластичность имеет источником более натуралистическую или популяционную биологию. Оцененная Woltereck [37], концепция нормы реакции была расширена Schmalhausen [38], чей главный интерес заключался в центральной роли стабилизирующего отбора в эволюции. Независимо от Waddington, Schmalhausen предложил концепцию очень сходную с канализацией, которая в английской трансляции звучала как autonomization [38]. Согласно ему реакция нормы, формируемая стабилизирующим отбором, является адаптивной. Соотв., аутономизация не является какой-то минимизацией какой-то изменчивости. Скорее, она является специфической минимизацией не адаптивной изменчивости около нормы реакции [38]. Это существенно контрастирует в современным пониманием пластичности. В современном смысле, пластичность не обязательно адаптивная [39,40]. Как подчеркивают Pigliucci et al. при таком определении, пример Waddington's с bithorax фенотипом, индуцируемым с помощью эфира, действительно является случаем неадаптивной фенотипической пластичности [41]. Пластичность может также быть подразделена на активную и пассивную, где пассивная означает минимизированную изменчивость за счет внешне-средовой канализации [42,43].
Концептуальное перекрывание фенотипической пластичности и эксплуатационной надежности (robustness) или канализации важно, поскольку отличающиеся наблюдения, паттерны и процессы являются критическими для вычленения подлежащих механизмов. Канализация и фенотипическая пластичность являются в основном абстракциями, вытекающими из паттернов. Они не являются процессами или механизмами. Как таковое их ограниченные объясняющие значения базируются исключительно на степени, с которой они представляют группировки паттернов, экспрессируемых с помощью набора движущих сил. Утверждение, напр., что наблюдаемое снижение варианс объясняется канализацией, просто означает, что наблюдаемые группы с набором сходных паттернов, которые мы не можем понять, но выбираем для мечения канализации. Если такая группировка не является разумной, то вряд ли картирование механизмов осуществляется легко поддающимся способом. Проблема с рассмотрением канализации как просто обратной пластичности означает, что пластичность является более общим феноменом. Соотв. термин канализация, скорее всего, покрывает такой гетерогенный набор паттернов, которые пытаются объяснить все в механистических терминах, и являются бесполезными.
Wagner et al.'s [8] определили канализацию, избежав подобного замешательства. Они определяют канализацию как подавление фенотипических вариантов или генетического, или внешне-средового происхождения. Они полагают, что это делает канализацию или генетического или внешне-средового происхождения. Они полагают, что это делает канализацию dispositional концепцией, означающей тенденцию или потенциал. Соотв., канализация является тенденцией супрессировать изменчивость [8]. Канализация не является компонентом наблюдаемой фенотипической изменчивости. Скорее она является компонентом изменчивости или тенденции к изменчивости [8]. Наблюдаемые различия в фенотипической изменчивости являются следствием этой тенденции комбинации с индивидуальными обстоятельствами, такими как присутствие пертурбаций или суммы сегрегирующих генетических вариантов. Канализация является, следовательно, только измеренной с помощью наблюдаемых отличий в величинах изменчивости между выборками или популяциями, которые контролируются по факторам, таким как генетические вариансы и величины внешне-средовых эффектов, а также любыми известными детерминантами признаков, таких как возраст или размер [35]. Определяемая таким образом канализация является отличающейся от более общей концепции фенотипической пластичности (Fig. 1). Важно, что это определение делает также возможными изменения в меж-индивидуальной изменчивости вместе с нормой реакции. Такие изменения межиндивидуальных варианс происходят вместе с нормой реакции. Такие изменения меж0индивидуальных варианс могут возникать в результате нелинейной кривой нормы реакции [43] (Fig. 1A). Форма такой кривой нормы реакции может варьировать среди генотипов (Fig. 1B). Однако, они могут также быть результатом действия др. факторов, таких как дестабилизирующие эффекты внешне-средовых стрессов или генетических пертурбаций [44] (Fig. 1C). Scharloo's классические эксперименты с Drosophila cubitus interruptus и hairless мутантами показали, что отбор может изменить фенотипические реакции на варианты температуры [45,46]. Недавно, Debat et al.[47] показали, что серия из 16 мутаций влияет на чувствительность к температуре размера крыльев и формы у Drosophila, при этом температура также модулирует эффекты этих самых мутаций. Эти эксперименты тонко демонстрируют вариации во внешне-средовой канализации, обусловленные внешней средой (along a norm of reaction) или генотипом (modulating the norm of reaction) , также как и сложные взаимоотношения между канализацией и фенотипической пластичностью. 
Fig. 1. Environmental canalization and phenotypic plasticity. To illustrate the relationship between phenotypic plasticity and environmental canalization, we simulated a trait varying across a norm of reaction in response to an environmental effect. In each case, the phenotypic value is a function of the deterministic environmental effect plus an random term that is isotropic and normally distributed. In A, the variance of the random term is constant across the norm of reaction. However, a nonlinear relationship between the environmental effect and the phenotypic outcome generates variance heterogeneity across the norm of reaction. The downward modulation of variance across the middle of the range is the canalization effect. In B, two genotypes are shown that differ in the shape of the relationship between the environmental factor and the phenotypic outcome. This also generates a differential modulation of phenotypic variance. In this case, there is genetic variation in environmental canalization. In C, variance (the random term) increases away from the mean environmental value. This might occur, for example, if the more extreme environmental conditions are increasingly stressful, resulting in less stable development. In all cases, the entire range of phenotypic effects possible under different environmental conditions is the phenotypic plasticity. The shape of the curve that relates the phenotype to the environmental condition is the norm of reaction. The differential modulation of variance along and across these curves is environmental canalization. Environmental canalization can vary due to genotype or environment.
3. The evidence for canalization
"It is a very general observation, to which little attention has been directed (but see Huxley, Plunkett and Ford), that the wildtype of an organism…, is much less variable in appearance than the majority of mutant races." Waddington, 1942, pg. 563
Большинство общих и убедительных доказательств канализации является тенденция мутантов обладать значительно большими рангами изменчивости, чем особи дикого типа. Работа Waddington's 1942 по генетической ассимиляции показала, что мутанты. Schmalhausen также наблюдал более значительную изменчивость у мутантов [38]. В 50's и 60's, генетики документировали повышенную индивидуальную изменчивость в генотипах различных мутаций у Drosophila и мышей [46,[48]- [51]]. Fig. 2 показывает некоторые примеры этого феномена. Важно, что эти ранние исследования обнаружили, что тенденция к увеличению вариабельности между индивидами у мутантов, реагирует на отбор, подтверждая наследственную основу канализации [49]. Чувствительность фенотипической изменчивости внутри генотипа к отбору была подтверждена недавно и довольно сильно на Arapidopsis [52]. У мышей нами была определена количественно достоверная наследуемость фенотипической изменчивости в 62 генотипах изогенных мышей, происходящих из парных скрещиваний среди 8 совместных линий перекрестных основательниц [53].
Fig. 2. Variation among isogenic mutant mice with the same genotype. MicroCT scans showing the front of the face of two different genotypes of embryos in comparison to controls. A) 10.5 day Wildtype C57BL6J mouse embryos. B) Fgf8neo/- (?80% loss) embryonic day 10.5 embryos (Green et al 2017). C) Examples of B9d1-/- (null) 11.5 day embryos. В более ранней работе наша группа сравнивала фенотипическую изменчивость среди мутантов и особей дикого типа в отношении черепно-лицевой формы и установила, что мутации в крупными фенотипическими отклонениями стремятся строго ассоциировать с повышенной фенотипической изменчивостью [54]. Сходным образом, мета-анализ исследований разных мутаций у нематод выявил постоянное увеличение изменчивости сравнимых величин с мутационными эффектами на фенотипическую среднюю [55]. У рыбок данио DeLaurier et al. установили, что мутации в mef2ca драматически увеличивают как меж-индивидуальную изменчивость, так и флюктуирующую асимметрию [56]. Поскольку не все мутации затрагивают как вариансы, так и среднюю (независимо от статистической ассоциации средней и варианс), то становится ясным, что это часто происходит, подкрепляя мнение, что эффекты канализации являются реальным феноменом и нуждаются в механистическом объяснении.
Др. источником доказательств канализации является изменчивая пенетрантность мутаций в природных популяциях. Варьирующие проявление генетических болезней у людей хорошо известно. Недавно геномные исследования на людях выявили удивительное количество вариантов, ассоциированных с основной болезнью, которые присутствуют у индивидов, которые не обнаруживают фенотипических эффектов этих болезней [[57]- [59]]. Как часть проекта Resilience Project, Chen et al. исследовали мутации в 874 генов, полагая, что они являются причиной 584 самостоятельных тяжелых менделрующих нарушений у детей в совокупной когорте из более 500000 геномов. В общем они идентифицировали 13 кандидатов индивидов, имеющих запас жизненных сил, обладающих 8 болезнями [57]. Анализ суммарных данных по людям, проведенный Exome Aggregation Consortium (ExAC) (http://exac.broadinstitute.org/), который исключал индивидов, затронутых тяжелыми детскими заболеваниями, предоставил выдающийся ресурс для исследования геномной изменчивости. Taraillo-Graovac et al исследовали базу данных Exac на редкие патогенные варианты болезней и к удивлению обнаружили, что 1717 ExAC индивидов (~2.8% из популяции ExAC) обладали вариантами, ассоциированными с болезнями. В комбинации с распознаваемой высокой степенью не пенетрантных и с высоко изменчивой экспрессивностью многих редких болезней, эти данные подтвердили присутствие биологических механизмов, которые противодействуют влиянию высоко пенетрантных мутаций у людей. 4. Epistasis and genetic canalization
Эффекты мутаций часто зависят от генетического фона. В недавнем примере с использованием мышей, Percival et al. показали, что эффекты на форму черепа и лица трех мутаций в генах Sprouty, обнаруживают драматически отличающиеся эффекты на форму, если они находились на трех разных генетических фонах [60]. В одном случае одна и та же мутация имела диаметрально противоположные эффекты на двух фонах. Исследования Percival et al. иллюстрируют более широкое значение эпистаза для сложных признаков и его связь с канализацией. Взаимодействия с др. генами или генетическими фонами могут изменять фенотипические эффекты многих, если не всех генетических вариантов. Эти эпистатические эффекты м. модулировать пенетрантность, но они могут также изменять направление эффекта, время или расположение эффектов или ранги плейотропных эффектов [61,62]. Эпистаз единственный имеет отношение к канализации, если он участвует в модуляции величин фенотипических эффектов. Хотя неизвестно насколько часто это происходит, но, скорее всего, довольно часто [62].
Но является ли эпистаз причиной канализации? Roff [34] полагает, что смешение моделей и механизмов вызывает огромное смятение в отношении канализации. Взаимоотношение между эпистазом и канализацией это иллюстрирует четко. Определение Wagner's [8] генетической канализации как супрессии фенотипических эффектов генетической изменчивости. В его определении генетическая изменчивость признаков зависит от частоты сегрегирующих аллелей, что влияет на них и величины фенотипических эффектов этих аллелей. Генетическая канализация использует модуляцию фенотипических эффектов этих аллей. Все эффекты генетической канализации приписываются эпистазу в количественном генетическом смысле [63]. Однако, крупные популяционного уровня количественные генетические эффекты не гарантируют, что лежащие в основе генетические взаимодействия между генами и/или продуктами генов, понятны или могут быть идентифицированы у индивидов. Так что сказать, что эпистаз объясняет генетическую канализацию в механистическом смысле является поэтому совершаемой ошибкой Roff's из-за смешения количественной модели с механистическим объяснением.
Сутью этого вопроса является тот факт, что количественная генетика и биология развития имеют дело с разного типа вопросами и имеют разные определения, по-видимому, одного и того же феномена. В то время как количественная генетика связана с расчленением фенотипических исходов в кумулятивный, статистически определяемый феномен, генетика развития связана с физическими механизмами, такими как специфические молекулярного, клеточного или тканевого уровня взаимодействия. В то время как генетика популяций клонов в отдельности неинтересна, их биология развития может быть обворожительной. Как результат, эти области дают разного типа объяснения. Количественная генетика определяет большинство феноменов на популяционном уровне и фундаментально связана с изменчивостью. Механизмы, интересующие биологию развития, касаются индивидов, а изменчивость чаще всего это неприятность, нежели непосредственный предмет для исследования. В генетике эпистаз является статистическим эффектом, тогда как в биологии развития он обычно рассматривается как механистическое взаимодействие между продуктами генов. Эти две версии эпистаза связаны концептуально, но не идентичны.
Канализация является свойством индивидов, которая почти всегда измеряется только на популяционном уровне [8]. В генетических терминах генетический фактор увеличивает канализацию, если все оказываются равными, он снижает фенотипическую изменчивость [35]. Для генетической канализации влияние гена на фенотипическое проявление др. генов является по определению случаем эпистаза. Генетическая изменчивость таких эффектов может быть описана как дифференциальный эпистаз. Но это не означает ли, что эпистаз целиком объясняет генетическую канализацию? Не обязательно. Эффекты от генетических взаимодействий оказывают нелинейные эффекты на фенотип. Однако, это является статистической моделью изменчивости, а не механистическим описанием действительных физических взаимодействий. Нелинейность в развитии возникает мириадами способов. Если мы начнем с предположения, что взаимоотношения между некоторыми факторами развития и фенотипическими отклонениями являются нелинейными, то сможем увидеть, что дополнительные эффекты на факторы развития приведут как к гетерогенности, так и к эффектам генетических взаимодействий на фенотипическом уровне (Fig. 3). Это продемонстрировано на моделях Sean Rice [63,64] , где выявлена гетерогенность варианс как следствие нелинейности генотип-фенототип карт. Сходным образом, генетический эпистаз проявляется как следствие нелинейности процессов развития, которые испытывают влияние со стороны многих генов. Т.о., в зависимости от перспективы (генетической или онтогенетической), эпистаз может рассматриваться или как причина или как следствие канализации. 
Fig. 3. Developmental nonlinearity and variance heterogeneity and epistasis. This schematic shows how additive variation in a developmental process produces non-additive variation when that process has a nonlinear relationship to phenotypic outcomes. The first column shows genotype-phenotype maps while the second column shows phenotypic distributions by genotype. B and C show two of many possible two locus models. Both generate variance heterogeneity and epistasis. 5. Specific mechanisms of canalization
Механистические объяснения канализации обнаруживают тенденцию распадаться на две категории. Первая касается специфических молекулярных механизмов, которые вовлечены в изменчивость буфферизации. Вторая постулирует, что эффекты канализации возникают в результате включенных или emergent признаков развития. Эти объяснения не исключают др. др. , но они предполагают очень разные точки зрения на биологические системы. 5.1. Heat shock proteins and other molecular chaperones
Rutherford и Lindquist сообщили, что пертурбации с Hsp90, хитшоковым белком приводят к увеличению по всему организму фенотипической изменчивости [20]. Rutherford и др. полагают, что белки молекулярных шаперонов играют важную роль в буфферизации фенотипической изменчивости [19,65,66]. Разумным объяснением этой идеи является принуждение. Шапероновые белки участвуют в укладке белков, но также участвуют в стрессовых реакциях и в повторной укладке поврежденных белков [67]. Вполне правдоподобно, что пертурбации таких белков будут нарушать реакции на стрессы и повышать внешне-средовую изменчивость. Влияние вариаций в хитшоковых белках на фенотипическую изменчивость было исследовано на разных системах. У Arabidopsis, Hsp90 ассоциирует с изменчивостью гетерогенности для локусов, влияющих на некоторые количественные признаки [68,69]. То же самое было показано для некоторых разных хитшоковых белков у Drosophila [27], хотя др. исследования обнаружили более слабые эффекты [70]. Интересно, что у дрожей мутации в Hsp90 могут увеличивать или уменьшать генетическую канализацию зависимым от генотипа способом [71]. В целом, однако, имеется хорошее доказательство, что пертурбации с хитшоковыми белками ассоциируют с изменчивостью гетерогенности и модуляцией внешне-средовых варианс.
Проблема с идеей, что хитшоковые белки являются специфическими молекулярными механизмами, которые действуют как главные регуляторы канализации или "capacitors of phenotypic variation," не устраняет доказательств их ассоциации с канализацией. Скорее имеются многочисленные доказательства, что такая ассоциация возникает для многих др. генов, участвующих во многих отличающихся путях. Подобно шаперонам, мутации cohesins также, по-видимому, повышают изменчивость. Это имеет смысл, поскольку нарушения структуры хроматина могут приводить к широко распространяющимся нарушениями экспрессии генов. Случайные изменения в экспрессии генов и варьирующие уродства разных органов, напр., возникают у мутантов Nipbl, моделирующих синдром Cornelia de Lange [[72]- [74]]. Геномное увеличение варианс генной экспрессии у мышей также возникает как результат мутации в BAF155, хроматин ремоделирующем белке [75]. В черепно-лицевом развитии мышей в варьирующей степени эффекты на изменчивость фенотипа наблюдаются в разных генах, включая Papps2, Fgf8 и Ap-2 [[76]-[78]]. Сходное увеличение фенотипических варианс возникает при мутациях в гистонах у дрожжей [79]. Наконец, геномные исследования гетерогенности варианс у Arabidopsis и Drosophila идентифицировали множественные локусы, но в генах, не связанных с молекулярными шаперонами, таких как фактор переноса меди [80] и в генах, участвующих во многих др. путях [81]. Эти результаты могут подтвердить, что хитшоковые белки выполняют роль в буфферизации, это является специфичным для определенных внешне-средовых состояний или организменных контекстов и что существуют и др. механизмы, которые выполняют др. роли в буфферизации. Альтернативно они указывают, что увеличение варианс, возникающих из-за пертурбаций этих генов, является примером более общего феномена в развитии и что их ассоциации с канализацией отражают их функциональное значение скорее, чем их специфическую роль в изменчивости буфферизации. 5.2. Methylation
Др. механизмом, предполагаемым для модуляции фенотипической изменчивости, является метилирование [82,83]. Идея в том, что регионы генома являются эпигенетически дифференцированными в высоко метилированные или полностью не метилированные состояния, стабилизирующие экспрессию генов в этих регионах. Предполагается, что пертурбации генов, которые затрагивают паттерны метилирования, такие как метилтрансферазы, д. влиять на канализацию. Доказательства этой идеи получены в известных случаях вариации в пенетрантности, обусловленной варьирующими метилированием сайтов IAP ретротранспозонов или "meta-stable epialleles" [84]. Помимо классического примера с мышами Agouti [85], имеется множество др. известных случаев. У A/WysnJ мышей, напр., варьирующая пенетрантность расщепления губы и пониженная морфологическая интеграция связаны с IAP ретротранспозонами. которые влияют на экспрессию Wnt9b [[86]-[88]].
Недавно серия экспериментов, проведенная в лаб. Kimmel, предоставила впечатляющий пример такого феномена у рыбок данио. Они наблюдали, что мутации в гене mef2ca продуцируют очень изменчивые скелетные фенотипы [56]. Этот ген важен для развития скелета и участвует в регуляции выбора между связкой или костью в черепно-лицевом комплексе рыбок данио. Было установлено, что пенетрантность мутаций mef2ca связана с пропорцией клеток, участвующих в выборе каждой из этих двух судеб и что степень пенетрантность наследуема. В двух линиях, которые отличаются по пенетрантности, было выявлено, что наследуемая изменчивость пенетрантности ассоциирована с различиями в метилировании соседнего сайта ретротранспозона, содержащего энхансер для mef2ca [89]. Этот пример конечно не служит доказательством метилирования как механизма канализации, но еще и потому, что он комбинирует два смысла, в которых Waddington использует канализацию и эпигенетический ландшафт - снижение фенотипической изменчивости, с одной стороны, и спецификация судеб клеток и тканей, с др. стороны. 5.3. MicroRNAs
МикроРНК это малые, не кодирующие молекулы РНК, которые участвуют в пост-транскрипционной регуляции. Они многочисленны и разнообразны, составляют 1-2% геномов растений и животных [90,91]. MicroRNAs могут вносить вклад в канализацию путем буфферизации уровней белков в противовес изменчивости генной экспрессии [92]. Это может быть особенно важным для генов, экспрессирующихся на низких и поэтому на более изменчивых уровнях, это верно для многих генов с важными ролями в развитии [93]. Впечатляющий пример выявлен Choi at al. [94], показавший как miR-430 притормаживает и балансирует уровни белка для Tgf-β агониста squint и антагониста lefty у рыбок данио. Также у рыбок данио потеря двух miMRIs приводит к двухкратному увеличению фенотипической изменчивости гистоморфометрических признаков в сосудистом эндотелии [95]. Сходным образом, потеря miR-9 у Drosophila повышает фенотипическую изменчивость в формировании сенсорных органов и в экспрессии некоторых ключевых генов [96]. Это исследование также выявило, что базирующаяся на miRNA регуляция может продуцировать нелинейные взаимоотношения между экспрессией мРНК и белка.
Ясно, что microRNAs вносят вклад у канализацию. Неизвестно, однако, до какой степени они вносят вклад в изменчивость канализации внутри популяции или на длительной эволюционной временной шкале. Хотя недавняя работа показала достоверный вклад microRNAs в изменчивость сложных признаков [97], это исследование также проверяло ассоциации с гетерогенностью варианс. 6. Emergent or embedded mechanisms
"It is important to realize that the comparatively simple orderliness of the epigenetic landscape - its restricted number of values with their branching-points and characteristic contours-is a property of a higher order dependent on an underlying network of interactions which is vastly more complicated." Waddington, 1957, pg. 34-35
Альтернативой механизмам специфического вовлечения, которые модулируют канализацию, является то, что модуляция фенотипических варианс происходит посредством внезапно возникающих или уже заключенных свойств развития скорее, чем специфического, специально предназначенного механизма. В этом случае канализация фенотипических свойств осуществляется с помощью тех же самых генов и процессов, которые лежат в основе изменчивости этих признаков. Предполагается. что это происходит согласно интуитивному представлению Waddington's о механизмах канализации. Существуют три линии рассуждений, которые касаются этих категорий. Одна имеет дело со свойствами сетей или систем. Др. имеет дело с избыточной продукцией белков иди др. ключевых ресурсов в развитии и третья имеет дело с нелинейностью в развитии. 6.1. Network properties
Waddington описывает развитие как состоящее из сложных систем, в которых процессы и взаимодействия тяготеют к стабильным состояниям [7]. При этом он, по-видимому, вдохновленный Rene Thom и развитием согласно теории катастроф [98], которая сильно повлияла на системную биологию. Ранние попытки моделирования биологических систем включали работы Stuart Kaufman и Stuart Newman по Boolean сетям [99,100], которые внесли вклад в теоретические основы сетей регуляторных генов [101]. Как свойства систем приводят к канализации стало важной темой в этих ранних работах в системной биологии.
Наиболее прямым путем, в котором включенные (embedded) свойства в системы развития могут модулировать изменчивость является избыточность. Как подчеркивает Soule [102], изменения процесса являются функцией количества независимых воздействий на этот процесс и варианс этих импульсов (Fig. 4). В процессах, таких как рост, который зависит от многих (частично меняющихся совместно) компонент процесса, изменения варианс компонентов процесса будут менять вариансы окончательного результата (outcome). Для генов с перекрывающимися функциями, нулевые мутации могут поэтому, как ожидается, продуцировать жизнеспособные, но более изменчивые фенотипы. Напротив, избыточной в функции генов вносит вклад в устойчивость к мутациям в этих генах [103,104]. Morishita and Iwasa [105] показали, напр., как множественных градиенты морфогенов могут служить стабилизации позиционной информации у эмбрионов Drosophila. Множественные градиенты эффективно усредняли шумовые вариансы каждого градиента. У дрожжей, Levy and Siegal [106] показали, что мутации генов, которые глубоко внедрены в сети взаимодействий, но не являются избыточными по отношению к др. генам, стремятся разрушить фенотипическую устойчивость (robustness) (или гетерогенность варианс). Напротив, мутации в hub генах, которые обнаруживают функциональную перекрываемость с др. генами, не обнаруживают тенденции влиять на устойчивость. Это подтверждает роль функциональной перекрываемости для буфферизации.
Fig. 4. Redundancy or Multiple Inputs and Canalization. In A, variation in a hypothetical trait is determined by variation in three processes that vary independently of each other. The variance of the trait is lower than the variance of the component processes because of the averaging effect of multiple inputs. If any of the component processes are eliminated, such as might occur in a loss of function mutation for a redundant gene, the variance of the trait is increased. Антагонистические взаимодействия генов или регуляторные петли обратной связи являются др. крупным способом, с помощью которого свойства сети могут вносить вклад в канализацию [99,100]. Известны многие примеры таких взаимодействий или петель обратных связей. Как полагают Geiler-Samerotte et al. [107] в этом томе, эффекты таких взаимодействий могут оказывать сложные воздействия на модулирование варианс с тем же самым ослаблением мутаций или увеличением фенотипической изменчивости, зависимым от генетического контекста. У рыбок данио, напр., в лаб. Schilling показали, как петля обратной связи использует пять генов для стабилизации градиента морфогена ретиноевой кислоты, необходимого для становления передне-задней оси тела [108]. Очевидным предсказанием, исходя из гипотезы регуляторной обратной связи, являются пертурбации регуляторных взаимодействий, нарушающих канализацию. Это предсказание было протестировано Paulsen et al. [109] на Xenopus. Они показали, что негативная обратная связь между BAMBI и SMAD7 стабилизирует экспрессию BMP4, а это в свою очередь модулирует фенотипическую изменчивость. Второе предсказание этой гипотезы заключается в том, что эпистаз вносит вклад в гетерогенность варианс. Это менее известно, но эпистаз ассоциирован с гетерогенностью варианс у дрожжей [110].
Существуют четкие доказательства, что , по крайней мере, некоторые свойства сетей предсказуемо д. влиять на канализацию, действуя в системах развития. Современные исследования в этой области, однако, только царапают по поверхности. В частности, показана чрезвычайная трудность представить роль взаимодействий выше уровня генов, перефразируя Waddington. Недавняя работа показала, что способность измерять и манипулировать физическими силами в развитии является одной из ключевых, но необходимо ещё многое сделать чтобы инкорпорировать феномены клеточного и тканевого уровня в молекулярные interactomes, которые пока являются сырым материалом системной биологии [111]. Поэтому необходимо проделать большую работу, чтобы системная биология устойчивости поддалась механистическому объяснению.
6.2. Heterozygosity Lerner [112] полагает, что гетерозиготность может стать механистической основой канализации. Его аргументы покоятся на предположении, что пики приспособленности, как правило, стремятся к популяционным средним. Это означает, что гетерозиготность в среднем выше, чем на фенотипических крайностях (extremes),и что инбридинг снижает приспособленность и увеличивает изменчивость, и что крайние фенотипы, как правило, стремятся стать гомозиготами по вносящим вклад генам. Большая часть этого впоследствии оказалась ложной. Эмпирические тесты гипотезы Lerner's относительно взаимоотношения между устойчивостью (robustness) и гетерозиготностью обнаружили слабые и противоречивые результаты [[113]-[118]]. Более сильные эффекты в этом исследовании, фактически, подчеркивали противоположное направление и связаны с изменениями в стабильности развития и в фенотипических вариансах в гибридных зонах [[119]-[122]]. Наиболее важно для полигенных признаков то, что гетерозиготность может коррелировать с расстоянием от средней. Далее снижение приспособленности в направлении фенотипических крайностей в целом обусловлено рецессивными гомозиготами , а не снижением гетерозиготности [123]. Однако, тезисы Lerner's не полностью незаслужены. У людей инбридинг повышает превалирование и пенетрантность рецессивных болезней, что связано со снижением веса при рождении и повышением частот дефектов при рождении [124]. Он также ассоциирован с повышением преобладания сложных генетических болезней [125]. Корреляция между кровным родством и инбридингом и гетерогенностью варианс, однако, не известна и не исследовалась, по нашему мнению. Такое взаимоотношение д. подтвердить связь между гомозиготностью на индивидуальном уровне и канализацией. Однако, такая корреляция, скорее всего, будет управляться повышенной экспрессией редких, рецессивных вариантов скорее, чем некими системными эффектами гетерозиготности, per se.
6.3. Nonlinearities in development Нелинейность повсеместна в биологии. Часто это игнорируется ради методологического удобства или теоретической необходимости, а не потому, что отклонения от линейности не имеют последствий [126]. Гетерозиготность варианс как общее следствие нелинейности генотип-фенотипических карт, как было установлено, Sean Rice является частью его теоретической основы для интеграции генетики развития и количественной генетики [63,127]. Недавно, Morissey [128] расширил эту теоретическую основу для соотнесения вариаций в развитии с фенотипическими вариациями, когда лежащие в основе взаимосвязи сильно нелинейны. Эта теоретическая работа показала, что одним из следствий нелинейности при картировании фенотипической изменчивости на подлежащие детерминанты, такие как экспрессия генов или клеточные процессы является модуляция фенотипической изменчивости (Fig. 5). Этот феномен, как полагают, объясняет изменчивость устойчивости (robustness) систем развития [54,63,78,129]. Ramler et al. также предложили такое объяснение для модуляции robustness по всем пределам внешен-средовых состояний [130].
Fig. 5. Developmental nonlinearity and phenotypic robustness. A) A nonlinear curve relating variation in a mechanism (e.g. gene expression) to phenotypic outcome. The amount of phenotypic variation that corresponds to a constant amount of variation in the mechanism is dependent on the slope at each point along the curve. B shows an expansion of Lewontin's Genotype-phenotype map in the first column and hypothetical gene expression to process and gene-expression to phenotype curves in the second. The number of levels is arbitrary in this example. Близко родственная идея - это гипотеза, что robustness возникает в результате избытка продукции белков [131]. Идея означает, что имеющиеся выше определенного порога, количество критического белка достаточно, а вариации в уровне белка выше этого порога не будут затрагивать фенотип. Точно такой же аргумент был выдвинут Sewall Wright's при изучении основ возникновения доминантности [132]. Эта идея, что избыток онтогенетических ресурсов создает буффер против вариаций, он также служит основой для много раз исследованного, но слабо подтвержденного, что фенотипическая robustness снижается при пищевом стрессе [133,134].
Как действует нелинейное картирование экспрессии генов на фенотип, возникающий при развитии? Это осуществляется многими способами и на разных уровнях развития. В 1910, Hill [135] смоделировал диссоциацию кислорода и гемоглобина как sigmoidal функцию. Полученное Hill уравнение широко используется для характеристики взаимоотношений между рецепторами и лигандами, которые обычно нелинейны [136]. Регуляция транскрипции использует петли обратной связи, которые могут приводить к нелинейности, и это, как прогнозируется, вносит вклад в генетическую канализацию [137]. Регуляция трансляции, как было установлено, также может быть нелинейной, напр., в модели ribosome flow [138]. Градиенты диффузии для морфогенов могут быть нелинейными и эффект морфогенов внутри таких градиентов может вызывать нелинейные эффекты из-за их формирования пространственно-временного паттерна [139]. Нелинейность может также возникать на более высоких уровнях механизма. Zhang et al.'s multiscale модель развития конечностей [140], напр., генерирует нелинейный процесс для фенотипического картирования из-за нелинейной динамики клеточных и тканевых процессов.
Такие нелинейности возникают в разных масштабах и с помощью разного типа механизмов (Fig. 5). Для нелинейностей, вносящих вклад в фенотипическую устойчивость, их эффекты д. сохраняться на всех уровнях механизма, чтобы повлиять на картирование фенотипической изменчивости за счет генетической изменчивости, экспрессии генов или процессы развития. Наша группа недавно показала, что это может происходить [76]. Используя серию из 9 генотипов, которые варьировали по уровню экспрессии Fgf8, ключевого гена для черепно-лицевого развития, мы установили, что картирование экспрессии генов относительно фенотипа очень нелинейно. Потеря свыше 50% от уровня экспрессии дикого типа ассоциирует с минимальными изменениями фенотипа, тогда как помимо этого, фенотипические эффекты крупные и всё более тяжелые. Мы моделировали предсказываемые эффекты этой нелинейности в экспрессии генов на кодирование фенотипа и установили, что изменения фенотипических варианс по серии аллелей совпадают с нашими предсказаниями (Fig. 6). Это указывает на то, что онтогенетические нелинейности могут сохраняться на множественных уровнях развития, чтобы модулировать фенотипическую устойчивость (robustness).
\ 
Fig. 6. The Fgf8 gene-expression phenotype map and robustness. A) Gene-expression to phenotype map for an allelic series of E10.5 mouse embryos that vary in level of Fgf8 expression. The hypothetical genotypes are null, loss of function (LF), wildtype (WT) and overexpression (OE). This example shows a buffered range around the wildtype although many shapes of such curves are possible. В Fgf8 эксперименте мы увеличили изменчивость экспрессии Fgf8 за пределы рангов, ожидаемых в естественных популяциях. Это ставит перед вопросом, как возникает такая нелинейность. Локальное выравнивание экспрессии генов по фенотипу дикого типа может развиваться путем стабилизационного отбора, воздействующего на эффекты взаимодействия генов [8]. Для одиночного признака, эти эффекты такие же самые, как гетерогенность варианс или вариансы QTLs. Если направленный отбор смещает фенотип по кривой, то уклон генотип-фенотип, реализуемый внутри популяции, будет меняться. Это будет менять наследуемость и , свою очередь влиять на отбор в чреде генераций. Вопрос о том, как стабилизационный и направленный отбор влияет на свойства изменчивости, такие как канализация, оказался в центре споров [141,142]. Комбинирование количественных генетических моделей и теорий с экспериментальными манипуляциями действительных карт генотип-фенотип может предоставить ответы на эти важные вопросы.
7. Future directions: integrating developmental biology and genetics В последние годы наблюдается возрождение интереса к канализации и устойчивости. Это возрождение обусловлено несколькими независимыми тенденциями. Одной из них является открытие новых молекулярных механизмов, таких как микроРНК и их потенциальной роли [143]. Др. является поиск объяснений отсутствие наследуемости сложных признаков [62]. Третьим является постоянный прогресс в системной биологии, который побуждает исследователей решать вопросы возникновения все более сложных признаков в количественных моделях [144]. В результате разнообразие подходов и перспектив продвинули наше понимание устойчивости в биологии. Однако, разнообразие, часто возникающее в разных дисциплинах, создет также ситуацию, напоминающую притчу о слепых и слоне. Каждый стремится ограничиться определенным аспектом проблемы, затрудняя его согласие с общим контекстом в терминах более генерализованного понимания механизмов канализации в развитии.
Одним из следствий этой проблемы является то, что механистические объяснения, которые предложены для канализации не являются ни действительно исключительными, ни концетуально отличающимися. Тот факт, что разрушения хитшоковых белков могут усиливать изменчивость, не согласуется со свойствами сетей или нелинейностью в качестве объяснения канализации. Фактически, оба могут быть приложимы к одному и тому же признаку. Далее, некоторые объяснения распространяются на перекрывающиеся феномены. Антагонистические петли обратной связи и избыточность влияют на эффекты генетических взаимодействий и оба ассоциированы с нелинейностью. MicroRNAs могут влиять на устойчивость посредством обратных связей, нелинейности и избыточности (redundancy). Хитшоковые белки могут влиять на устойчивость зависимым от генетического фона способом, связывая гипотезу шаперонов с эпистазом [71]. Мы полагаем, что некоторые из этих дезорганизаций могут быть отслежены по различиям в отношении генетики и биологии развития и по вытекающей из этого трудности в переводе таких понятий, как эпистаз, из одной в другую. Не менее важна и сложность биологических систем, а также множество способов, которыми такие системы могут модулировать перевод генетических изменений в фенотипические.
Если механистическая основа для канализации существует, то подходящее объяснение, должно включать в себя преодоление перспектив, механизмов и уровней знаний. Представьте себе задачу объяснения надежности в более простой, разработанной системе, такой как автомобиль, а не сложный организм. Некоторые функции, такие как амортизаторы, могут смягчать определенные воздействия окружающей среды (неровности на дороге). Другие функции, такие как конструкция двигателя, способность ускоряться или разворачиваться или умение водителя, также могут способствовать устойчивости к возмущениям, таким как неожиданное движение транспорта, погодные условия или механический отказ какого-либо компонента. Эта последняя функция не отделена от целостного дизайна автомобиля, но не менее актуальна. В настоящее время системные подходы к канализации имеют тенденцию представлять определенный феноменологический уровень, такой как генно-регуляторные сети. Хотя лидеры в этой области признают необходимость выхода из этой системы [18,111], и предпринимаются постоянные усилия, чтобы поместить сети регуляторных генов в пространственно-временные контексты[145], но этого очень трудно достичь.
Др. обещающим подходом является объединить визуализацию, морфометрию и биологию развития для изучения количественного происхождения изменений в развитии. Изучение Fgf8 и Shh нашей группой является одним из первых примеров такого подхода [76,146]. Здесь идея состоит в том, чтобы использовать парадигму генотип-фенотип карты [147] , чтобы сконструировать карты генной экспрессии на фенотип, при этом используются множественные изображения, молекулярные и биоинформационные инструменты, чтобы количественно связать вариации на многих уровнях механизма. Этот подход также соединяет генетику и биологию развития тем, что концентрирует внимание на том, как изменчивость передается онтогенетическим механизмам, которые транслируют генотип в фенотип. Недавние успехи по получению 3D изображений, особенно на шкале целого эмбриона и способность измерять феномен, такой как механические силы на клеточном и тканевом уровне, делают такоого типа подход очень многообещающим [[148]-[153]].
Канализация является фундаментальным свойством сложных организмов, имеющим отношение как к эволюционной биологии, так и генетике сложных признаков. Мы рассмотрли прошлые и современные мнения о механистических основах этого феномена. Канализация, вряд ли обусловлена одним механизмом, даже в определенном биологическом контекста. Скорее модуляция варианс, скорее всего, отражает эффекты многих механизмов, некоторые из которых могут специфически участвовать в ограничении рангов фенотипических исходов (outcomes), тогда как др. являются embedded или emergent свойствами развития. Понимание их относительных вкладов будет зависеть от успехов системной биологии, которые сделают возможной мультимасштабную интеграцию изображений и молекулярных данных, а также разработку теоретических моделей, чтобы придать смысл крупным и сложным базам данных, которые генерируют такие подходы. По мере развития и совершенствования таких подходов в ближайшие годы они, вероятно, обогатят наше понимание механистических основ устойчивости. Таким образом, эта работа значительно осветит генетику развития сложных признаков.
|