Шум развития - Википедия - Developmental noise

Шум развития это концепция внутри биология развития в которой фенотип варьируется между людьми, хотя оба генотипы и факторы окружающей среды одинаковы для всех.[1] Факторы, способствующие развитию, включают стохастическую экспрессию генов и другие источники сотовый шум.[2]

Определение

Хотя организмы внутри одного вида имеют очень похожие гены, схожую среду обитания и схожую историю развития, каждый отдельный организм может развивать различия из-за шума в окружающей среде. сигнализация и интерпретация сигналов. Этот шум развития может помочь людям обрести способность адаптироваться к окружающей среде и внести свой вклад в их уникальные модели развития.[3] Человек отпечатки пальцев приведем хорошо известный пример; отпечатки пальцев различаются даже у генетически идентичных человеческих близнецов.[4]

Использование шума в биологии

Шум развития может помочь людям обрести способность адаптироваться к окружающей среде. Биологические системы отображать вариативность и надежность.[5] Естественная изменчивость в популяции в значительной степени определяется генетически, но изменчивость из-за шума может способствовать быстрой реакции человека на изменения в окружающей среде. Это изменение может иметь эффект эволюционной настройки, который способствует оптимальной приспособленности популяции. В поддержку этой идеи было показано, что бактерии могут переключать стохастически в «устойчивое» состояние, которое имеет медленный рост в сочетании со способностью пережить лечение антибиотиками.[6] В другом исследовании было показано, что большинство «шумных» белков были связаны со стрессовой реакцией. Когда белки экспрессируются в небольших количествах, на экспрессию более «шумных» белков больше влияют шумы, исходящие из окружающей среды. Типы шумов включают внешний шум, который представляет собой изменение уровня экспрессии белка от клетки к клетке, и внутренний шум, который является изменением присущей стохастической природы экспрессии белка.[7] Более того, шумные гены связаны с особой архитектурой промотора, включая преобладание Ящики ТАТА, что согласуется с теоретическими предсказаниями о том, что на шум сильно влияет логика самого транскрипционного процесса и, в частности, переход от закрытого к открытому хроматину.[8]

Шум развития также может способствовать уникальным моделям развития каждого человека. Во время развития сложного органа может потребоваться вариабельность экспрессии генов, чтобы способствовать дифференциации нескольких типов клеток от клеток, обладающих эквивалентным потенциалом. Например, формирование паттерна глаза взрослой мухи зависит от множества альтернативных вариантов пути дифференцировки в пределах явно однородного поля клеток. Грани (омматидия ) в глазах мух встречаются двух типов, обозначенных как бледный и желтый, что определяется конкретными типами фотопигментов родопсина, экспрессируемыми в двух внутренних фоторецепторных клетках.[9][10] У мух, несущих мутации в гене spineless, все омматидии показывают бледную судьбу, в то время как чрезмерная экспрессия бесхребетных вызывает желтую судьбу. Окончательный паттерн омматидий определяется стохастическими вариациями в выражении этого единственного фактор транскрипции Бесхребетный.[9]

В обширной обзорной статье суммировано влияние шума на клеточные решения - от бактерий к клеткам млекопитающих.[11]

Шум развития растений

Большинство исследований шума развития сосредоточено на животных, но есть и примеры на растениях. В одном раннем исследовании Рой сделал тысячи наблюдений как над числом лепестков, так и над числом зубцов на листьях. Он заметил высокую степень изменчивости обоих признаков. Проанализировав свои данные, он не смог сделать вывод, что изменчивость была вызвана влиянием окружающей среды. Другой пример шума у ​​растений - это поведение боковых корней. Люди обнаружили, что рост боковые корни непредсказуемо для генетически идентичных растений, которые растут в одной и той же среде. Еще один пример прорастания семян может проиллюстрировать пользу шума развития у растений. Стохастичность в сроках прорастания гарантирует, что по крайней мере часть потомства выживет для воспроизводства.[10]

Шум и надежность

Хотя стохастические изменения в поведении клеток могут быть полезными, большинству биологических систем необходимо поддерживать надежный результат без непредсказуемых изменений. Эта способность буферизовать изменения, вызванные молекулярным шумом, генетический полиморфизм, или колебания окружающей среды, называется устойчивостью.

Например, при разработке повторяющихся блоков сомиты в мезодерма позвоночных животных, даже несмотря на то, что биологическая система может быть подвержена шумной среде, часы сегментации поддерживают периодическую экспрессию генов с помощью связанных осцилляторов, в которых синхронные колебания соседей поддерживаются за счет взаимной связи. Этот механизм позволяет эмбрионам поддерживать постоянную сегрегацию сомитов, несмотря на шум, создаваемый митозом высокого уровня, необходимым для продолжения роста.[12]

Дальнейшее изучение

Источники, последствия и контроль шума являются основными вопросами при изучении шума развития. Недавние исследования показывают, что этот шум имеет несколько источников, включая стохастический или по своей природе случайный характер биохимических реакций экспрессии генов. Но подробные механизмы все еще неясны, и вклад таких факторов, как микроРНК, существование которых было впервые обнаружено в 1990-х годах, остаются неясными. Например, одно недавнее исследование показало, что микроРНК могут выполнять разные роли, от использования шума для включения переключателя развития до буферизации последствий шума для придания устойчивости к возмущениям окружающей среды.[12] Таким образом, предстоит еще многое сделать для понимания значимости, контроля и механизмов развития шума.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ямпольский Л. Я., Шайнер С. Р. (1994). «Шум развития, фенотипическая пластичность и гетерозиготность аллозимов у дафний». Эволюция. 48 (5): 1715–22. Дои:10.2307/2410259. JSTOR  2410259.
  2. ^ Хорикава К., Ишимацу К., Ёсимото Е., Кондо С., Такеда Х. (июнь 2006 г.). «Помехоустойчивые и синхронизированные колебания часов сегментации». Природа. 441 (7094): 719–23. Дои:10.1038 / природа04861. PMID  16760970.
  3. ^ Raser, J.M .; О'Ши, Э. К. (2005). «Шум в экспрессии генов: происхождение, последствия и контроль». Наука. 309 (5743): 2010–2013. Дои:10.1126 / science.1105891. ЧВК  1360161. PMID  16179466.
  4. ^ «У однояйцевых близнецов одинаковые отпечатки пальцев?». Реестр близнецов штата Вашингтон. 1 октября 2015 г.. Получено 29 сентября 2019.
  5. ^ Баркай, Н .; Шило, Б. З. (2007). «Изменчивость и устойчивость биомолекулярных систем». Mol Cell. 28 (5): 755–760. Дои:10.1016 / j.molcel.2007.11.013. PMID  18082601.
  6. ^ Kussell, E .; Кишоны, Р .; Balaban, N.Q .; Лейблер, С. (2005). «Бактериальная стойкость: модель выживания в меняющейся среде». Генетика. 169 (4): 1807–1814. Дои:10.1534 / генетика.104.035352. ЧВК  1449587. PMID  15687275.
  7. ^ Чепмен-МакКвистон, Э. (2007). «Влияние шумной экспрессии белка на динамику E. coli / фага». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  8. ^ Blake, W. J .; и другие. (2006). «Фенотипические последствия опосредованного промотором транскрипционного шума». Mol Cell. 24 (6): 853–865. Дои:10.1016 / j.molcel.2006.11.003. PMID  17189188.
  9. ^ а б Wernet, M. F .; и другие. (2006). «Стохастическое бесхребетное выражение создает мозаику сетчатки для цветного зрения». Природа. 440 (7081): 174–180. Дои:10.1038 / природа04615. ЧВК  3826883. PMID  16525464.
  10. ^ а б Форд, Б. Г. (2009). «Это хороший шум? Роль нестабильности развития в формировании корневой системы». J Exp Bot. 60 (14): 3989–4002. Дои:10.1093 / jxb / erp265. PMID  19759097.
  11. ^ Балажи, Габор; ван Ауденаарден, Александр; Коллинз, Джеймс Дж (2011). «Принятие клеточных решений и биологический шум: от микробов до млекопитающих». Клетка. 144 (6): 910–925. Дои:10.1016 / j.cell.2011.01.030. ЧВК  3068611.
  12. ^ а б Ishimatsu, K .; Хорикава, К .; Такеда, Х. (2007). «Связь клеточных осцилляторов: механизм, который поддерживает синхронизацию против шума развития в часах сегментации». Дев Дин. 236 (6): 1416–1421. Дои:10.1002 / dvdy.21139. PMID  17420984.