Dynamics of gene expression in the genotype-phenotype map

• Autores: Djordje Bajic
• Directores de la Tesis: Juan Fernando Poyatos Adeva (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Serrano Pubull (presid.), Ramón Díaz Uriarte (secret.), Ugo Bastolla (voc.), Fyodor A. Kondrashov (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Biofísica
• Materias:
  • Ciencias de la vida
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • El fenotipo de los organismos vivos es el resultado de una compleja combinación de componentes genéticos y ambientales. Desde un punto de vista general, esta tesis tiene como objetivo tratar de entender algunos de los principios de diseño y limitaciones de tiene este ensamblaje.

    En el primero de los trabajos presentados se estudia cómo las redes de interacción genética (compuestas de interacciones fenotípicamente relevantes entre genes) cambian en respuesta a perturbaciones en algunos de sus elementos. Este tipo de redes a escala genómica están contribuyendo de manera creciente a mapear los circuitos moleculares que determinan el comportamiento celular. Hasta qué punto este “mapa” cambia en respuesta a diferentes perturbaciones genéticas o ambientales? Tratando de responder a esta pregunta, en el Capítulo 1 hemos ensamblado este tipo de redes en de manera sistemática diferentes fondos genéticos usando un modelo in silico del metabolismo de la levadura. Los fondos genéticos correspondientes a enzimas del catabolismo o metabolismo central indujeron una reorganización de la red particularmente fuerte, indicando una versatilidad en los mecanismos de compensación.

    Asímismo, las interacciones más débiles y aquellas entre genes funcionalmente distantes aparecen como las más inestables. Estos patrones reflejan la robustez distribuída de las rutas catabólicas y del metabolismo central. Por otro lado, también hemos examinado un tipo de fondo genético evolutivamente motivado, definido por la acumulación sucesiva de deleciones neutrales. La inestabilidad observada (predominantemente en interacciones negativas), junto con un incremento en el número de genes esenciales, refleja una reducción global en los mecanismos de compensación. De manera particularmente interesante, hemos observado que la reorganización de la red genética está asociada a una reducción en la plasticidad ambiental. Esto pone de manifiesto que los mecanismos que subyacen a la robustez genética y a la ambiental son esencialmente los mismos. De manera más general, este trabajo muestra cómo los mecanismos específicos de robustez afectan la arquitectura multi-condicional de los mapas de interacción genética.

    En los capítulos 2, 3, y 4, estudiamos diferentes aspectos de los sistemas que regulan la expresión de los genes. La expresión plástica de diferentes fenotipos hace posible que los organismos puedan responder a un amplio rango de cambios ambientales, adaptando su homeostasis a éstos. Las dinámicas específicas de esta plasticidad son particularmente interesantes cuando el mecanismo implica retroalimentación; por ejemplo, cuando un gen codifica su propio activador o represor. La integración de auto-regulaciones positivas y negativas puede establecer complejos patrones fenotípicos, como multiestabilidad, pulsos de actividad o oscilaciones.

    Esto depende de las características específicas de cada uno de los sistemas de retroalimentación implicados. En el Capítulo 2, estudiamos un motivo que contiene tanto una autoregulación positiva como una negativa, usando como modelo el operón de resistencia múltiple a antibióticos (mar) de Escherichia coli. Nuestros resultados demuestran que eeste sistema acelera la respuesta al incorporar una retroalimentación positiva lineal. Se demuestra experimentalmente que esta linealidad también produce una respuesta homogénea en la población y una alta sensibilidad. Por otro lado, también estudiamos cómo se integra este “motivo” en la red de regulación mayor. En este sentido, observamos que la presencia de una autoregulación positiva adicional es capaz de desacoplar el sistema de señales metabólicas. Finalmente, examinamos la influencia de posibles arquitecturas alternativas, mostrando cómo codificar la autoregulación dual antagonística en forma de bi-cistrón representa un versátil sistema estímulo-respuesta.

    Además de sistemas regulatorios específicos y precisos como mar, en el Capítulo 3 exploramos la posible existencia adicional de sistemas regulatorios “estereotípicos”, más generales e inespecíficos. Para ello, analizamos en primer lugar un conjunto de datos experimentales en los que la expresión génica a escala genómica fue medida para deleciones en un único gen, que engloba un 25% de los genes de Saccharomyces cerevisiae. Nuestros análisis sugieren que existen decenas de programas globales e inespecíficos. Además, encontramos evidencia de que estos mismos programas también pueden encontrarse en otros tipos de perturbaciones, como las ambientales y tras evolución experimental compensatoria. Estos resultados indican la posibilidad de una respuesta global e inespecifica como potencial estrategia adaptativa en un ambiente incierto.

    Finalmente, en el Capítulo 4, transladamos nuestra atención al fenómeno por el que la capacidad de un gen de cambiar su expresión génica en respuesta a cambios ambientales (plasticidad) se correlaciona con una variabilidad incontrolada y estocástica (ruido). Este acoplamiento puede limitar la función génica y la adaptación. Examinamos por tanto los factores a nivel molecular que pueden contribuír a su modulación. Tanto la re-iniciación transcripcional como la regulación a nivel de cromatina se presentan asociados a este acoplamiento. Alternativamente, demostramos cómo una regulación fuerte también puede ser ejercida sin incrementar el ruido. La naturaleza de esta regulación también es relevante; la plasticidad desacoplada del ruido se obtiene mediante mecanismos de activación generales. Mientras tanto, la regulación por represión específica está asociada a ruido, como pone también de manifiesto la influencia de las histonas. Nuestros resultados indican que el coste del ruido se ve compensado por una mayor versatilidad regulatoria. Por el contrario, en genes poco plásticos el ruido viene determinado fundamentalmente por la eficiencia traduccional, un patrón que encontramos asociado a la longitud de los genes. En consecuencia, la arquitectura genómica (particularmente la influencia de genes vecinos) constituye un modificadorsólo en genes plásticos.

    En estos últimos, confirmamos que los promotores bi-direccionales pueden reducir el ruido, pero también reducen la plasticidad. Constituyen por tanto un mecanismo limitado para desacoplar plasticidad y ruido. En resumen, nuestros resultados sugieren que equilibrar diferentes tipos de variabilidad constituye potencialmente una fuerza modeladora de la arquitectura y regulación de los genomas.