Шум развития
Шум развития или стохастический шум — это концепция биологии развития , в которой наблюдаемые характеристики или черты ( фенотип ) различаются между людьми, даже если оба человека имеют один и тот же генетический код ( генотипы ), а другие факторы окружающей среды совершенно одинаковы. [ 1 ] [ 2 ] Факторы, влияющие на эффект, включают стохастическую или рандомизированную экспрессию генов и другой клеточный шум . [ 3 ]
Определение
[ редактировать ]Хотя организмы внутри вида имеют очень схожие гены, схожую среду обитания и схожую историю развития, у каждого отдельного организма могут возникать различия из-за шума в передаче сигналов и интерпретации сигналов . Этот шум развития может помочь людям обрести способность адаптироваться к окружающей среде и способствовать их уникальным моделям развития. [ 4 ] человека Отпечатки пальцев являются хорошо известным примером; отпечатки пальцев различаются даже у генетически идентичных человеческих близнецов. [ 5 ]
Использование шума в биологии
[ редактировать ]Шум развития может помочь людям обрести способность адаптироваться к окружающей среде. Биологические системы демонстрируют как изменчивость, так и устойчивость. [ 6 ] Естественные вариации внутри популяции в значительной степени детерминированы генетически, но вариации, вызванные шумом, могут способствовать быстрой реакции человека на изменения в окружающей среде. Эта вариация может иметь эффект эволюционной настройки, который способствует оптимальной приспособленности популяции. В подтверждение этой идеи было показано, что бактерии могут стохастически переходить в «постоянное» состояние, характеризующееся медленным ростом в сочетании со способностью выдерживать лечение антибиотиками. [ 7 ] В другом исследовании было показано, что большинство «шумных» белков связаны с реакцией на стресс. Когда белки экспрессируются в небольших количествах, на экспрессию более шумных белков будут больше влиять 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 представляет собой изменение присущей ему стохастической природы экспрессии белка. [ 8 ] Более того, шумные гены связаны с четкой архитектурой промотора, включая преобладание ТАТА-боксов , что согласуется с теоретическими предсказаниями о том, что на шум сильно влияет логика самого процесса транскрипции и, в частности, переход от закрытого к открытому хроматину. [ 9 ]
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 из клеток, имеющих эквивалентный потенциал. Например, формирование паттерна глаз взрослой мухи основано на множестве альтернативных вариантов путей дифференцировки внутри очевидно однородного поля клеток. Фасетки ( омматидии ) в глазах мух бывают двух типов: бледные и желтые, что определяется конкретными типами фотопигментов родопсина, экспрессируемых в двух внутренних фоторецепторных клетках. [ 10 ] [ 11 ] У мух, несущих мутации в гене бесхребетности, все омматидии имеют бледную судьбу, тогда как чрезмерная экспрессия бесхребетных индуцирует желтую судьбу. Окончательный рисунок омматидий определяется стохастической изменчивостью экспрессии этого единственного транскрипционного фактора Spineless. [ 10 ]
В обширной обзорной статье обобщено влияние шума на клеточные решения, от бактерий до клеток млекопитающих. [ 12 ]
Шум развития у растений
[ редактировать ]Большинство исследований шума развития было сосредоточено на животных, но есть и примеры на растениях. В одном из ранних исследований Рой сделал тысячи наблюдений за количеством лепестков, а также количеством зубцов листьев. Он наблюдал высокую степень изменчивости обоих признаков. Проанализировав свои данные, он не смог прийти к выводу, что изменчивость была вызвана воздействием окружающей среды. Другим примером шума у растений является поведение боковых корней. Люди обнаружили, что рост боковых корней непредсказуем у генетически идентичных растений, произрастающих в одной и той же среде. Еще один пример прорастания семян может проиллюстрировать пользу шума развития растений. Стохастичность сроков прорастания гарантирует, что по крайней мере часть потомства выживет и сможет воспроизвести потомство. [ 11 ]
Шум и надежность
[ редактировать ]Хотя стохастические изменения в поведении клеток могут быть полезными, большинству биологических систем необходимо поддерживать надежные результаты без непредсказуемых изменений. Эта способность буферизировать изменения, вызванные молекулярным шумом, генетическим полиморфизмом или колебаниями окружающей среды, называется надежностью.
Например, при развитии повторяющихся блоков сомитов в мезодерме позвоночных животных, даже несмотря на то, что биологическая система может находиться в зашумленной среде, часы сегментации поддерживают периодическую экспрессию генов посредством связанных осцилляторов, в которых происходит синхронное колебание соседей. поддерживается за счет взаимного сцепления. Этот механизм позволяет эмбрионам поддерживать постоянную сегрегацию сомитов, несмотря на шум, создаваемый митозом высокого уровня, необходимым для продолжения роста. [ 13 ]
Дальнейшее изучение
[ редактировать ]Источники, последствия и контроль шума являются основными вопросами изучения шума развития. Недавние исследования показывают, что этот шум имеет несколько источников, включая стохастический или по своей сути случайный характер биохимических реакций экспрессии генов. Но детальные механизмы до сих пор неясны, а вклад таких факторов, как микроРНК , существование которых было впервые обнаружено в 1990-х годах, остается неясным. Например, одно недавнее исследование показало, что микроРНК могут выполнять разные роли: от использования шума для переключения развития до буферизации последствий шума для придания устойчивости к возмущениям окружающей среды. [ 13 ] Таким образом, предстоит еще многое сделать для понимания значения, контроля и механизмов развития шума.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ямпольский Л.Ю., Шайнер С.Р. (1994). «Шум развития, фенотипическая пластичность и аллозимная гетерозиготность у дафний». Эволюция . 48 (5): 1715–22. дои : 10.2307/2410259 . JSTOR 2410259 . ПМИД 28568411 .
- ^ Керн, Мэдс; Элстон, Тимоти К.; Блейк, Уильям Дж.; Коллинз, Джеймс Дж. (июнь 2005 г.). «Стохастичность в экспрессии генов: от теорий к фенотипам» . Обзоры природы Генетика . 6 (6): 451–464. дои : 10.1038/nrg1615 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 15883588 . S2CID 1028111 .
- ^ Хорикава К., Ишимацу К., Ёсимото Э., Кондо С., Такеда Х. (июнь 2006 г.). «Помехоустойчивое и синхронизированное колебание часов сегментации». Природа . 441 (7094): 719–23. Бибкод : 2006Natur.441..719H . дои : 10.1038/nature04861 . ПМИД 16760970 . S2CID 4372075 .
- ^ Разер, Дж. М.; О'Ши, ЭК (2005). «Шум в экспрессии генов: происхождение, последствия и контроль» . Наука . 309 (5743): 2010–2013. Бибкод : 2005Наука...309.2010Р . дои : 10.1126/science.1105891 . ПМК 1360161 . ПМИД 16179466 .
- ^ «У однояйцевых близнецов одинаковые отпечатки пальцев?» . Реестр близнецов штата Вашингтон. 1 октября 2015 года . Проверено 29 сентября 2019 г.
- ^ Баркай, Н.; Шило, БЗ (2007). «Изменчивость и устойчивость биомолекулярных систем» . Мол Клетка . 28 (5): 755–760. doi : 10.1016/j.molcel.2007.11.013 . ПМИД 18082601 .
- ^ Кассел, Э.; Кишони, Р.; Балабан, Северная Каролина; Лейблер, С. (2005). «Бактериальная персистенция: модель выживания в изменяющихся условиях» . Генетика . 169 (4): 1807–1814. дои : 10.1534/genetics.104.035352 . ПМЦ 1449587 . ПМИД 15687275 .
- ^ Чепмен-МакКистон, Э. (2007). Влияние экспрессии шумового белка на динамику E. coli/фагов (Диссертация).
- ^ Блейк, WJ; и др. (2006). «Фенотипические последствия транскрипционного шума, опосредованного промотором» . Мол Клетка . 24 (6): 853–865. doi : 10.1016/j.molcel.2006.11.003 . ПМИД 17189188 .
- ^ Перейти обратно: а б Вернет, МФ; и др. (2006). «Стохастическое бесхарактерное выражение лица создает мозаику сетчатки для цветового зрения» . Природа . 440 (7081): 174–180. Бибкод : 2006Natur.440..174W . дои : 10.1038/nature04615 . ПМЦ 3826883 . ПМИД 16525464 .
- ^ Перейти обратно: а б Форд, Б.Г. (2009). «Хорош ли шум? Роль нестабильности развития в формировании корневой системы» . J Exp Бот . 60 (14): 3989–4002. дои : 10.1093/jxb/erp265 . ПМИД 19759097 .
- ^ Балажи, Габор; ван Ауденарден, Александр; Коллинз, Джеймс Дж (2011). «Принятие решений на клеточном уровне и биологический шум: от микробов до млекопитающих» . Клетка . 144 (6): 910–925. дои : 10.1016/j.cell.2011.01.030 . ПМК 3068611 . ПМИД 21414483 .
- ^ Перейти обратно: а б Ишимацу, К.; Хорикава, К.; Такеда, Х. (2007). «Связывание клеточных осцилляторов: механизм, который поддерживает синхронизацию с шумом развития в часах сегментации» . Дев Дин . 236 (6): 1416–1421. дои : 10.1002/dvdy.21139 . ПМИД 17420984 .