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Definizioni di robustezza e canalizzazione

Definizioni di robustezza e canalizzazione


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I concetti di robustezza e canalizzazione sono oggi di moda nella letteratura di biologia. Tuttavia, non sono sicuro delle loro definizioni e non sono nemmeno sicuro che tutti gli autori utilizzino effettivamente la stessa definizione.

Chiedo quindi qui per un the definizioni di questi termini o per una breve rassegna delle definizioni comuni di robustezza e canalizzazione. In che modo i diversi autori definiscono queste parole? Sono particolarmente interessato a...

  • Le differenze tra robustezza e canalizzazione (la canalizzazione sembra applicarsi più alla biologia dello sviluppo rispetto alla robustezza che sembra essere un concetto più generale)

  • A che livello si applicano questi concetti? Alle popolazioni, ai genotipi, a entrambi,... ?

  • In che modo il concetto di adattamento si collega a queste definizioni.

  • Come si contrappone il concetto di plasticità ai concetti di robustezza e canalizzazione?


Poiché la canalizzazione è definita nella tua domanda (anche in wikipedia) significa robustezza.

Semanticamente è possibile differenziare i due.

La robustezza di un sistema si riferisce alla sua sensibilità alle perturbazioni. In altre parole piccole differenze nei parametri non influenzerebbero lo stato stazionario del sistema (cambiamenti di parametro in un intervallo fisicamente plausibile non porterebbero a biforcazioni).

Per sistema intendo un insieme di entità collegate tra loro in modo definito. Ad esempio un ecosistema in cui diverse specie sono collegate tra loro da interazioni della catena alimentare. Allo stato stazionario una configurazione di sistema (ad esempio: 10 volpi, 100 conigli, 10000 graminacee, 1000 api ecc.) rimane costante nel tempo (ciò, tuttavia, non significa che sia statica). Oppure in caso di sviluppo un sistema può essere il corpo definito da un insieme di determinati fenotipi.

Canalizzazione/canalizzazione si riferisce a meccanismi che fanno sì che il sistema segua una certa traiettoria. Quindi, se lo vedi matematicamente, la canalizzazione mantiene la traiettoria dettata da un dato insieme di autovettori. In caso di sviluppo si possono chiamare meccanismi come la compensazione del dosaggio, la compensazione funzionale per isoforme, i canali di flusso metabolico paralleli ecc. come meccanismi di canalizzazione.

Quindi nell'uso contemporaneo possiamo chiamare un sistema robusto (una proprietà di un sistema) mentre dovremmo affrontare i meccanismi che aiutano a preservare le traiettorie come canalizzazioni. L'obiettivo finale della canalizzazione è rendere il sistema robusto, ma non è l'unico meccanismo responsabile della robustezza (ad esempio, lo stato stazionario può essere indipendente da determinati parametri).

La robustezza è una proprietà del sistema e dipende da come le diverse entità del sistema sono accoppiate e da quali sono i loro parametri di interazione (tassi ecc.).

Dovresti notare che questi sono gerghi adottati da diversi gruppi nella comunità scientifica e possono forse significare la stessa cosa: questo è semplicemente il mio tentativo di rimuovere la ridondanza dei termini per mezzo della semantica.

Ora, la plasticità è un concetto completamente diverso. La plasticità è in un modo opposto alla robustezza. Ciò significa che la natura qualitativa del sistema può cambiare se alcuni parametri vengono modificati. Tuttavia, il sistema dovrebbe comunque mantenere la sua stabilità. In un sistema stabile, lievi perturbazioni dallo stato stazionario porteranno il sistema a tornare a quello stato stazionario, come una palla in un pozzo. Tuttavia, un sistema può intrinsecamente consentire più stati stazionari (come gli interruttori) e, a seconda di determinati parametri, il sistema può trovarsi in uno degli stati (ma se spinto troppo lontano, il sistema può passare a un altro stato stazionario stabile). Questo è chiamato multistabilità.

NOTA: alcune persone usano anche il termine plastica per indicare "reattivo". La definizione di cui sopra potrebbe non essere esaustiva o la più perfetta.


Ci sono diversi sottoconcetti all'interno del concetto di robustezza. Esistono diverse definizioni per tutti questi concetti e sto solo suggerendo una variante delle possibili definizioni di seguito.

  • Robustezza mutazionale
    • Potrebbe essere definita come una funzione della media e della varianza della distribuzione degli effetti mutazionali.
  • Robustezza ambientale
    • Si potrebbe definire l'opposto della plasticità fenotipica. Qui, la plasticità non è solo definita come plasticità adattiva. La plasticità è qualsiasi cambiamento fenotipico indotto da un cambiamento ambientale. La robustezza ambientale potrebbe quindi essere definita come l'inverso della pendenza della norma di reazione.
  • Robustezza allo sviluppo
    • Potrebbe essere definita come la varianza dei fenotipi che un dato genotipo produce in un dato ambiente.

Da Gilbert e Epel (2009), pagina 384, la canalizzazione è robustezza dello sviluppo.

In Biologia, questi concetti si riferiscono quasi sempre ai genotipi. Raramente si applicano a popolazioni o ecosistemi e quando lo fanno le definizioni sono spesso molto diverse.


La genetica evolutiva della robustezza biologica

Sfondo: Gli organismi viventi sono continuamente confrontati a perturbazioni, come cambiamenti ambientali che includono fluttuazioni di temperatura e disponibilità di nutrienti, o cambiamenti genetici come mutazioni. Mentre alcuni sistemi di sviluppo sono interessati da tali sfide e mostrano variazioni nei tratti fenotipici, altri continuano costantemente a produrre fenotipi invariabili nonostante la perturbazione. Questa capacità di un sistema vivente di mantenere un fenotipo invariabile di fronte alle perturbazioni è chiamata robustezza dello sviluppo. La robustezza biologica è un fenomeno osservato tra i phyla e lo studio dei suoi meccanismi è fondamentale per decifrare la relazione genotipo-fenotipo. Recenti lavori su lieviti, animali e piante hanno dimostrato che la robustezza è geneticamente controllata e ha iniziato a rivelare i meccanismi alla base di essa.

Ambito e conclusioni: Studiare la robustezza biologica implica concentrarsi su un'importante proprietà dei tratti di sviluppo, che è la distribuzione fenotipica all'interno di una popolazione. Questo è spesso trascurato perché la stragrande maggioranza degli studi di biologia dello sviluppo si concentra invece su aggregati di popolazione, come le medie dei tratti. Attingendo ai risultati negli animali e nel lievito, questo punto di vista considera come gli studi sulla robustezza dello sviluppo delle piante possano trarre vantaggio da definizioni rigorose di quale sia il sistema di sviluppo di scelta e quale sia la perturbazione rilevante, e anche da chiare distinzioni tra gli effetti dei geni sulla media del tratto e la varianza del tratto. I recenti progressi nella biologia quantitativa dello sviluppo e nella fenotipizzazione ad alto rendimento consentono ora la progettazione di schermi genetici mirati per identificare i geni che amplificano o limitano la varianza dei tratti di sviluppo e per studiare come la variazione si propaga attraverso diversi livelli fenotipici nei sistemi biologici. La caratterizzazione molecolare di loci dei tratti più quantitativi che influenzano la varianza dei tratti fornirà ulteriori informazioni sull'evoluzione dei geni che modulano la robustezza dello sviluppo. Lo studio dei meccanismi di robustezza in specie strettamente correlate affronterà se i meccanismi di robustezza sono conservati evolutivamente.

Parole chiave: Buffer di robustezza allo sviluppo. canalizzazione criptica variazione genetica genotipo × fenotipo insensibilità perturbazione plasticità sensibilità diversità di specie varianza.


Contenuti

Waddington utilizzò il concetto di canalizzazione per spiegare i suoi esperimenti sull'assimilazione genetica. [3] In questi esperimenti, ha esposto Drosophila pupe allo shock termico. Questo disturbo ambientale ha indotto alcune mosche a sviluppare un fenotipo crossveinless. Ha poi selezionato per crossveinless. Alla fine, il fenotipo crossveinless è apparso anche senza shock termico. Attraverso questo processo di assimilazione genetica, un fenotipo indotto dall'ambiente era stato ereditato. Waddington ha spiegato questo come la formazione di un nuovo canale nel paesaggio epigenetico.

È tuttavia possibile spiegare l'assimilazione genetica utilizzando solo la genetica quantitativa e un modello soglia, senza alcun riferimento al concetto di canalizzazione. [4] [5] [6] [7] Tuttavia, i modelli teorici che incorporano una complessa mappa genotipo-fenotipo hanno trovato prove dell'evoluzione della robustezza fenotipica [8] contribuendo all'assimilazione genetica, [9] anche quando la selezione è solo per stabilità dello sviluppo e non per un particolare fenotipo, quindi i modelli di genetica quantitativa non si applicano. Questi studi suggeriscono che l'euristica della canalizzazione può essere ancora utile, al di là del più semplice concetto di robustezza.

Né la canalizzazione né la robustezza sono quantità semplici da quantificare: è sempre necessario specificare a quale tratto è incanalato (robusto) a quali perturbazioni. Ad esempio, le perturbazioni possono provenire dall'ambiente o da mutazioni. È stato suggerito che diverse perturbazioni abbiano congruente effetti sullo sviluppo in atto su un paesaggio epigenetico. [10] [11] [12] [13] [14] Ciò potrebbe, tuttavia, dipendere dal meccanismo molecolare responsabile della robustezza, ed essere diverso nei diversi casi. [15]

La metafora della canalizzazione suggerisce che alcuni tratti fenotipici sono molto robusti alle piccole perturbazioni, per le quali lo sviluppo non esce dal canale, e ritorna rapidamente verso il basso, con scarso effetto sull'esito finale dello sviluppo. Ma perturbazioni la cui magnitudo supera una certa soglia irromperanno dal canale, spostando il processo di sviluppo in un territorio inesplorato. Ad esempio, lo studio di una serie allelica per Fgf8, un gene importante per lo sviluppo craniofacciale, con livelli di espressione genica decrescenti ha dimostrato che il fenotipo rimane canalizzato finché il livello di espressione è superiore al 40% dell'espressione wild-type. [16]

Una forte robustezza fino a un limite, con poca robustezza oltre, è un modello che potrebbe aumentare l'evolversibilità in un ambiente fluttuante. [17] La ​​canalizzazione di un ampio insieme di genotipi in uno spazio fenotipico limitato è stata suggerita come meccanismo per l'accumulo, in modo neutro, di mutazioni che altrimenti potrebbero essere deleterie. [18] La canalizzazione genetica potrebbe consentire la capacità evolutiva, in cui la diversità genetica si accumula in una popolazione nel tempo, al riparo dalla selezione naturale perché normalmente non influisce sui fenotipi. Questa diversità nascosta potrebbe quindi essere scatenata da cambiamenti estremi nell'ambiente o da interruttori molecolari, rilasciando variazioni genetiche precedentemente criptiche che possono quindi contribuire a una rapida esplosione dell'evoluzione, [18] un fenomeno chiamato decanalizzazione. I cicli di canalizzazione-decanalizzazione potrebbero spiegare i periodi alternati di stasi, dove la diversità genotipica si accumula senza cambiamenti morfologici, seguiti da rapidi cambiamenti morfologici, dove la decanalizzazione rilascia la diversità fenotipica e diventa soggetta alla selezione naturale, nei reperti fossili, fornendo così un potenziale sviluppo spiegazione dell'equilibrio punteggiato. [17]

Nel 1998, Susan Lindquist ha scoperto che Drosophila hsp83 mutanti eterozigoti mostrano una grande diversità di fenotipi (dai pettini sessuali sulla testa, ai fenotipi simili a scudi e ad ali dentellate). Ha mostrato che questi fenotipi potevano essere trasmessi alla generazione successiva, suggerendo una base genetica per quei fenotipi. [19] Gli autori hanno ipotizzato che Hsp90 (il gene mutato in hsp83), come proteina chaperone, svolge un ruolo fondamentale nel ripiegamento e nell'attivazione di molte proteine ​​coinvolte nelle vie di segnalazione dello sviluppo, contrastando così la variazione genetica in tali vie. [20] hsp83 i mutanti rilascerebbero quindi la variazione genetica criptica, determinando una diversità di fenotipi.

Nel 2002, Lindquist ha dimostrato che l'inibizione farmacologica di HSP90 in Arabidopsis thaliana portano anche a un'ampia gamma di fenotipi, alcuni dei quali potrebbero essere considerati adattivi, supportando ulteriormente il ruolo canalizzante di HSP90. [21]

Infine, lo stesso tipo di esperimento nel cavefish Astianatte mexicanus prodotto risultati simili. Questa specie comprende due popolazioni: una popolazione con occhi che vive sotto la superficie dell'acqua e una popolazione cieca senza occhi che vive nelle caverne. Non solo la popolazione delle caverne è senza occhi, ma mostra anche una dimensione dell'orbita ampiamente ridotta. L'inibizione di HSP90 porta ad una maggiore variazione nella dimensione dell'orbita che potrebbe spiegare come questo tratto potrebbe evolversi in poche generazioni. Ulteriori analisi hanno mostrato che la bassa conduttività nell'acqua della grotta induce una risposta allo stress che mima l'inibizione di HSP90, fornendo un meccanismo per la decanalizzazione. [22]

Vale la pena notare che l'interpretazione dell'originale Drosophila l'articolo [19] è ora oggetto di controversie. Analisi molecolare del hsp83 mutante ha mostrato che HSP90 è necessario per la biogenesi del piRNA, un insieme di piccoli RNA che reprimono i trasposoni nella linea germinale. [23] , causando una massiccia mutagenesi inserzionale del [[transposon [24]]] che potrebbe spiegare la diversificazione fenotipica. [25]

Comprendere la variabilità è un aspetto estremamente importante per comprendere la selezione naturale e le mutazioni. La variabilità può essere classificata in due categorie: la prima modula la variazione fenotipica e la seconda modula i fenotipi prodotti. [26] Mentre si riscontra questo cosiddetto pregiudizio riscontrato nella variabilità genetica, lo studio ci consente di comprendere ulteriormente come alcuni fenotipi abbiano più successo nella sua effettiva morfologia, composizione biochimica o comportamento. [27] È scientificamente noto che gli organismi devono svilupparsi sistematicamente in sistemi integrati per prosperare nel loro specifico ecosistema. Ciò si estende alla morfologia nell'ordine delle variazioni, così come se le variazioni non vengono eseguite in un ordine sistematico, la mutazione fenotipica non durerà poiché si verificherà la selezione naturale. Questa variazione influenza la velocità e il tasso di cambiamento evolutivo dovuto alla selezione e modulazione delle variazioni fenotipiche [28] Questo in definitiva riduce la quantità di diversità vista attraverso l'evoluzione poiché la maggior parte dei fenotipi non supera mai più di un paio di generazioni a causa della loro inferiore base della morfologia, della composizione biochimica o del movimento o dell'aspetto fisico.


Astratto

La robustezza è una proprietà dei sistemi biologici osservata ubiquitariamente. È considerata una caratteristica fondamentale dei sistemi evolutivi complessi. È raggiunto da diversi principi di base che sono universali sia per gli organismi biologici che per i sofisticati sistemi di ingegneria. La robustezza facilita l'evolversibilità e i tratti robusti sono spesso selezionati dall'evoluzione. Tale processo reciprocamente vantaggioso è reso possibile da specifiche caratteristiche architetturali osservate nei sistemi robusti. Ma ci sono compromessi tra robustezza, fragilità, prestazioni e richieste di risorse, che spiegano il comportamento del sistema, inclusi i modelli di guasto. Gli approfondimenti sulle proprietà intrinseche dei sistemi robusti ci forniranno una migliore comprensione delle malattie complesse e un principio guida per la progettazione della terapia.


Posizioni delle figure

Figura 3 Decanalizzazione e valutazione del rischio poligenico. (un) Confronto ipotetico della relazione tra la prevalenza di una condizione e il percentile di PRS in tre condizioni: bassa ereditabilità (verde), canalizzato (rosso), e decanalizzato (blu). L'inserto mostra la concezione convenzionale della soglia di responsabilità degli stessi dati, dove la decanalizzazione aumenta la varianza e si traduce in un eccesso di individui al di sopra della soglia. (B) Dati pilota sull'IBD nella biobanca britannica. Un PRS basato sugli effetti ponderati dei primi 1.000 SNP GWAS indipendenti per IBD mostra una forte relazione tra la prevalenza e il percentile dei PRS e il consumo di frutta auto-riferito. Si noti come la prevalenza sia simile per i due gruppi negli individui a basso rischio poligenico, ma aumenta costantemente in misura maggiore nel gruppo a basso consumo di frutta man mano che il percentile PRS diventa più alto. Le linee continue mostrano curve di rischio a prevalenza cubica adattata. Abbreviazioni: GWAS, studio di associazione genome-wide IBD, malattia infiammatoria intestinale PRS, punteggio di rischio poligenico SNP, polimorfismo a singolo nucleotide.


Ringraziamenti

Ringraziamo P. Phillips, C. Braendle, V. Orgogozo, V. Debat, E. Andersen, F. Besnard e i revisori per i commenti sul manoscritto, N. Dostatni e H. Teotonio per le discussioni e S. Rifkin per l'introduzione noi a Rendel. Il lavoro sulla robustezza dello sviluppo nel laboratorio Félix è finanziato dall'Agence Nationale pour la Recherche (12-BSV2-0004-01) e un Coup d'Elan della Fondazione Bettencourt-Schueller il lavoro nel laboratorio Barkoulas è finanziato dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) nel Regno Unito (BB/L021455/1).


MECCANISMI ED EVOLUZIONE

L'identificazione di singoli geni che tamponano i fenotipi dello sviluppo solleva la questione di come si ottiene meccanicamente la robustezza. La robustezza dello sviluppo è legata alla ridondanza funzionale, che assicura la stabilità dei tratti di fronte alle perturbazioni fornendo opportunità di backup per un dato sistema. La ridondanza nei sistemi biologici può essere trovata a molti livelli diversi, come nelle cellule, nei geni e negli elementi regolatori (Wagner, 2007). Ad esempio, nel contesto dello sviluppo della vulva, un errore fenotipico comune è il cattivo centraggio della cellula di ancoraggio sopra la cellula P5.p al variare dell'ambiente, mentre normalmente la cellula di ancoraggio si trova sopra P6.p. Tuttavia, tre celle competenti P(3,4,8).p forniscono ridondanza cellulare di backup e tale errato centraggio viene tamponato senza portare a conseguenze fenotipiche. La ridondanza genica può fornire robustezza mutazionale quando un duplicato di un gene può sostituire un paralogo mutato o quando i duplicati di geni mostrano diverse sensibilità a fattori ambientali come la temperatura (Hsiao e Vitkup, 2008 Keane et al., 2014). Concentrandosi ulteriormente a livello nucleotidico, la ridondanza di elementi regolatori come i potenziatori trascrizionali garantisce l'insensibilità dei programmi di espressione genica alle perturbazioni macroambientali (Frankel et al., 2010 Perry et al., 2010)

La base meccanicistica della robustezza risiede non solo nelle parti ridondanti, ma anche nella distribuzione e connessione delle parti all'interno di un sistema. In questo caso, più componenti di un sistema contribuiscono al flusso di informazioni e quindi al funzionamento del sistema. La robustezza distribuita è molto comune nelle reti metaboliche e di sviluppo (Felix e Wagner, 2008). La topologia di rete che include feedback o circuiti regolatori feedforward e diafonia del percorso di segnalazione sono importanti per la robustezza dello sviluppo ( Posadas e Carthew, 2014). Nelle piante, più circuiti di feedback interconnessi sono importanti per la stabilità dell'orologio circadiano (Mas e Yanovsky, 2009). Ad esempio, il lavoro sull'orologio circadiano dell'Arabidopsis ha mostrato che il ciclo di regolazione del feedback tra il WD1 REGOLATO ALLA LUCE (LWD1) e il REGOLATORE PSEUDO-RISPOSTA9 (PRR9) è importante per la robustezza del ritmo circadiano, che è variabile in lwd1lwd2 piante doppie mutanti in condizioni di buio continuo (Y. Wang et al., 2011). È stato dimostrato che la regolazione del feedback in molti sistemi diversi determina un comportamento del sistema simile alla soglia e quindi aumenta la stabilità dell'output alla variazione genetica stocastica, ambientale e permanente (Becskei e Serrano, 2000 Ramsey et al., 2006 Shinar et al., 2007 Denby et al., 2012).

La varianza fenotipica può essere spiegata attraverso la variazione dell'espressione genica tra gli individui. L'espressione genica variabile può sorgere su molte diverse perturbazioni genetiche. Ad esempio, la sovraespressione dell'ATPasi di tipo SWI/SNF2 AtCHR23 in arabidopsis porta ad una maggiore variazione nell'espressione genica tra le singole piante ( Folta et al., 2014). La variazione continua nell'espressione genica può propagarsi come output bimodale per un altro gene a valle, e questo è stato dimostrato essere la base alla base della penetranza parziale per alcune mutazioni intestinali in C. elegans ( Raj et al., 2010). Tuttavia, i sistemi biologici possono essere resistenti a una serie di cambiamenti nel dosaggio genico ( Acar et al., 2010 Barkoulas et al., 2013). Ad esempio, il modello di destino delle cellule vulvare è sensibile ai cambiamenti nel livello di segnalazione simile all'EGF e presenta due soglie distinte: una al di sotto della quale la vulva è sottoindotta e un'altra al di sopra della quale la vulva è sovraindotta (Barkoulas et al., 2013). Questi confini della robustezza dell'induzione cellulare a EGF la variazione di espressione è stata determinata alla risoluzione della singola molecola mediante quantitativa sul posto ibridazione in C. elegans (Fig. 2C Barkoulas et al., 2013). Nelle piante, Müller e colleghi si sono occupati di qual è la gamma di variazione in CLAVATA3 (CLV3) espressione che il meristema può bufferizzare senza modificarne le dimensioni ( Muller et al., 2006). Gli autori hanno usato CLV3 derivati ​​di delezione del promotore per modulare i livelli di espressione di CLV3 e ha mostrato che la dimensione del meristema del germoglio e del fiore è robusta fino a un cambiamento di dieci volte (Muller et al., 2006) (Fig. 2C).

I cambiamenti nella varianza fenotipica sono adattivi? La robustezza dello sviluppo è solo una proprietà osservabile, quindi una mancanza o bassi livelli di variazione fenotipica non implica necessariamente che questo sia il prodotto della selezione. Può sorgere in modo neutro a causa della non linearità tra parametri ed effetti fenotipici nei sistemi biologici con conseguente plateaux di robustezza ( Lynch, 2007) ( Fig. 2C). Può anche insorgere pleiotropicamente a causa della selezione per un altro fenotipo o per la selezione per robustezza di un'altra perturbazione. Quest'ultimo perché è stato dimostrato che, almeno in alcuni casi, c'è somiglianza tra le risposte a due diversi tipi di variazione. Ad esempio, gli alleli selezionati per la canalizzazione ambientale possono anche essere responsabili della canalizzazione genetica (Meiklejohn e Hartl, 2002). Per valutare sperimentalmente se un determinato fenotipo viene mantenuto sotto selezione stabilizzante in laboratorio, sono molto utili le linee di accumulo di mutazioni, che vengono costruite in specie autofertili o ermafrodite continuando con un singolo individuo casuale per molte generazioni, riducendo così al minimo l'effetto della selezione . Tali linee sono state utilizzate in C. elegans per dimostrare che è probabile che l'alto grado di robustezza del modello di destino delle cellule vulvali venga mantenuto durante la selezione, poiché si rompe rapidamente dopo l'accumulo casuale di mutazioni (Braendle et al., 2010).

La base genetica della varianza dei tratti suggerisce che la selezione naturale può agire per ottimizzare la variazione fenotipica all'interno di una popolazione. È meglio che un sistema sia robusto o sensibile alle perturbazioni? Un alto grado di robustezza dello sviluppo e una variazione fenotipica così bassa nella popolazione possono in alcuni casi essere utili per resistere a varie perturbazioni. Tuttavia, anche la plasticità fenotipica e l'elevata variazione fenotipica possono essere fondamentali per far fronte alle sfide ambientali o per stimolare l'innovazione evolutiva. Pertanto, a seconda del fenotipo di interesse e delle circostanze ecologiche, la selezione naturale può agire sia per stabilizzare che per destabilizzare i tratti fenotipici. Un esempio recente riguardante l'espressione genica ha confrontato gli effetti dei polimorfismi naturali nel promotore del gene del metabolismo del glucosio TDH3 entro 85 S. cerevisiae ceppi con quelli di mutazioni puntiformi casuali in questo promotore ( Metzger et al., 2015). Questo studio ha suggerito che la selezione sul rumore di espressione genica ha avuto un impatto maggiore sulla variazione di sequenza rispetto alla selezione sui livelli medi di espressione, evidenziando che la selezione purificante limita la variazione nella TDH3 espressione tra individui isogeni (Metzger et al., 2015). È importante in futuro collegare meglio la variazione fenotipica con il fitness. I condensatori fenotipici identificati negli schermi genetici nel lievito rappresentano nodi altamente connessi in reti cellulari e hub di rete che sono probabilmente arricchiti per effetti pleiotropici (Costanzo et al., 2010). Ciò suggerisce che l'aumento della variazione fenotipica in tali sfondi mutanti può essere solo un effetto collaterale a causa di una più ampia riduzione della forma fisica (G. Z. Wang et al., 2011). Questa non è, tuttavia, una conclusione generale poiché l'aumento della variazione morfologica nel lievito non è stato trovato correlato con una diminuzione della fitness ( Bauer et al., 2015).

I sistemi robusti sono ancora adattabili e si evolvono accumulando variazioni genetiche criptiche (Paaby e Rockman, 2014). Questa è un'abbondante variazione genetica che normalmente è tamponata, quindi è silenziosa a livello fenotipico, ma può essere rivelata su perturbazioni del sistema come l'introgressione sperimentale di mutazioni o ablazioni cellulari ( Milloz et al., 2008). Ad esempio, nel caso del buffering mediato da HSP-90, la compromissione funzionale di questo chaperone farmacologicamente, o forse dalla temperatura in natura, porta a difetti pleiotropici dipendenti dallo sfondo nello sviluppo (Rutherford e Lindquist, 1998). Il rilascio della variazione genetica ciptica sotto forma di variazione fenotipica può essere arricchito dalla selezione, consentendo l'adattamento a nuovi ambienti (Rohner et al., 2013).


Cos'è la "robustezza"

Robustezza Ro*bust"ness, n. La qualità o lo stato di essere robusto.

Wikizionario

n. La qualità di essere robusti.

WordNet

n. la proprietà del forte in costituzione [syn: robustezza, lussuria]

Wikipedia

La robustezza è la proprietà di essere forti e sani di costituzione. Quando viene trasposto in un sistema, si riferisce alla capacità di tollerare le perturbazioni che potrebbero influenzare il corpo funzionale del sistema. Nella stessa linea Robustezza può essere definita come "la capacità di un sistema di resistere al cambiamento senza adattare la sua configurazione stabile iniziale". "Robustezza nel piccolo" si riferisce a situazioni in cui le perturbazioni sono di piccola entità, il che considera che l'ipotesi di grandezza "piccola" può essere difficile da verificare perché "piccolo" o "grande" dipende dal problema specifico. Al contrario, "Robustezza nel grande problema" si riferisce a situazioni in cui non è possibile fare ipotesi sull'entità delle perturbazioni, che possono essere piccole o grandi. È stato discusso che la robustezza ha due dimensioni: resistenza ed evitamento.

In biologia, robustezza è usato per descrivere una specie con una morfologia basata sulla forza e una corporatura pesante. La morfologia alternativa è il tipo di corpo gracile.

Ad esempio, confrontando specie simili, i ratti hanno tipi di corpo robusti mentre i topi sono gracili. Maschi e femmine della stessa specie possono mostrare dimorfismo sessuale e avere morfologie robuste e gracili. L'Homo sapiens arcaico era robusto mentre gli umani anatomicamente moderni sono gracili.

Nell'informatica, robustezza è la capacità di un sistema informatico di far fronte agli errori durante l'esecuzione e di far fronte a input errati. La robustezza può comprendere molte aree dell'informatica, come una programmazione robusta, un solido apprendimento automatico e una rete di sicurezza robusta. Le tecniche formali, come il test fuzz, sono essenziali per mostrare robustezza poiché questo tipo di test comporta input non validi o imprevisti. In alternativa, l'iniezione di guasto può essere utilizzata per testare la robustezza. Vari prodotti commerciali eseguono test di robustezza dei sistemi software ed è un processo di analisi di valutazione dei guasti.

In economia, robustezza è la capacità di un sistema di negoziazione finanziaria di rimanere efficace in mercati e condizioni di mercato differenti, o la capacità di un modello economico di rimanere valido in ipotesi, parametri e condizioni iniziali differenti.

Robustezza di un sistema biologico (detta anche robustezza biologica o genetica) è la persistenza di una certa caratteristica o tratto in un sistema in condizioni di perturbazione o di incertezza. La robustezza nello sviluppo è nota come canalizzazione. A seconda del tipo di perturbazione coinvolta, la robustezza può essere classificata come robustezza mutazionale, ambientale, ricombinante o comportamentale eccetera. La robustezza si ottiene attraverso la combinazione di molti meccanismi genetici e molecolari e può evolvere per selezione diretta o indiretta. Diversi sistemi modello sono stati sviluppati per studiare sperimentalmente la robustezza e le sue conseguenze evolutive.

Esempi di utilizzo "robustezza"

Allora Wang Lung balzò in avanti e cadde su suo figlio frustandolo, e sebbene il ragazzo fosse più alto di lui, era più forte del suo lavoro nei campi e del robustezza del suo corpo maturo, e picchiò il ragazzo fino a farne scorrere il sangue.

Conte von Rumford solo 105 anni prima, anche se quell'età polverosa e con la parrucca ora sembrava un'eternità lontana rispetto al rimboccarsi le maniche robustezza dei tardo vittoriani.

Come discusso in seguito, la crittografia robustezza della chiave non ha molta importanza.

Aveva la carnagione di un giglio notturno, labbra dense che avrebbero potuto essere modellate dalla carne dei meloni, un naso lungo che nella sua arricciatura e grazia somigliava alla voluta di un piccolo violino, guance e mento la cui giustapposizione di osso delicato a il grassone spensierato combinava l'eleganza di un cavallo da corsa con il robustezza di un mulo.

Audrey vide un algerino, cencioso e sporco dai campi di battaglia, baciare su entrambe le guance un corpulento ammiraglio britannico della flotta, e fu lei stessa baciata da un marinaio francese, con estrema robustezza e una leggera sfumatura di vin ordinaire.


Contenuti

Waddington utilizzò il concetto di canalizzazione per spiegare i suoi esperimenti sull'assimilazione genetica. [3] In questi esperimenti, ha esposto Drosophila pupe allo shock termico. Questo disturbo ambientale ha indotto alcune mosche a sviluppare un fenotipo crossveinless. Ha poi selezionato per crossveinless. Alla fine, il fenotipo crossveinless è apparso anche senza shock termico. Attraverso questo processo di assimilazione genetica, un fenotipo indotto dall'ambiente era stato ereditato. Waddington ha spiegato questo come la formazione di un nuovo canale nel paesaggio epigenetico.

È tuttavia possibile spiegare l'assimilazione genetica utilizzando solo la genetica quantitativa e un modello soglia, senza alcun riferimento al concetto di canalizzazione. [4] [5] [6] [7] Tuttavia, i modelli teorici che incorporano una complessa mappa genotipo-fenotipo hanno trovato prove dell'evoluzione della robustezza fenotipica [8] contribuendo all'assimilazione genetica, [9] anche quando la selezione è solo per stabilità dello sviluppo e non per un particolare fenotipo, quindi i modelli di genetica quantitativa non si applicano. Questi studi suggeriscono che l'euristica della canalizzazione può essere ancora utile, al di là del più semplice concetto di robustezza.

Né la canalizzazione né la robustezza sono quantità semplici da quantificare: è sempre necessario specificare a quale tratto è incanalato (robusto) a quali perturbazioni. Ad esempio, le perturbazioni possono provenire dall'ambiente o da mutazioni. È stato suggerito che diverse perturbazioni abbiano congruente effetti sullo sviluppo in atto su un paesaggio epigenetico. [10] [11] [12] [13] [14] Ciò potrebbe, tuttavia, dipendere dal meccanismo molecolare responsabile della robustezza, ed essere diverso nei diversi casi. [15]

La metafora della canalizzazione suggerisce che alcuni tratti fenotipici sono molto robusti alle piccole perturbazioni, per le quali lo sviluppo non esce dal canale, e ritorna rapidamente verso il basso, con scarso effetto sull'esito finale dello sviluppo. Ma perturbazioni la cui magnitudo supera una certa soglia irromperanno dal canale, spostando il processo di sviluppo in un territorio inesplorato. Ad esempio, lo studio di una serie allelica per Fgf8, gene importante per lo sviluppo craniofacciale, con livelli di espressione genica decrescenti, ha dimostrato che il fenotipo rimane canalizzato finché il livello di espressione è superiore al 40% dell'espressione wild-type. [16]

Una forte robustezza fino a un limite, con poca robustezza oltre, è un modello che potrebbe aumentare l'evolversibilità in un ambiente fluttuante. [17] Canalisation of a large set of genotypes into a limited phenotypic space has been suggested as a mechanism for the accumulation, in a neutral manner, of mutations that could otherwise be deleterious. [18] Genetic canalisation could allow for evolutionary capacitance, where genetic diversity accumulates in a population over time, sheltered from natural selection because it does not normally affect phenotypes. This hidden diversity could then be unleashed by extreme changes in the environment or by molecular switches, releasing previously cryptic genetic variation that can then contribute to a rapid burst of evolution, [18] a phenomenon termed decanalisation. Cycles of canalization-decanalization could explain the alternating periods of stasis, where genotypic diversity accumulates without morphological changes, followed by rapid morphological changes, where decanalization releases the phenotypic diversity and becomes subject to natural selection, in the fossil record, thus providing a potential developmental explanation for the punctuated equilibrium. [17]

In 1998, Susan Lindquist discovered that Drosophila hsp83 heterozygous mutants exhibit a large diversity of phenotypes (from sexual combs on the head, to scutoid-like and notched wings phenotypes). She showed that these phenotypes could be passed on to the next generation, suggesting a genetic basis for those phenotypes. [19] The authors hypothesized that Hsp90 (the gene mutated in hsp83), as a chaperone protein, plays a pivotal role in the folding and activation of many proteins involved in developmental signaling pathways, thus buffering against genetic variation in those pathways. [20] hsp83 mutants would therefore release the cryptic genetic variation, resulting in a diversity of phenotypes.

In 2002, Lindquist showed that pharmacological inhibition of HSP90 in Arabidopsis thaliana also lead to a wide range of phenotypes, some of which could be considered adaptive, further supporting the canalising role of HSP90. [21]

Finally, the same type of experiment in the cavefish Astyanax mexicanus yielded similar results. This species encompasses two populations: an eyed population living under the water surface and an eye-less blind population living in caves. Not only is the cave population eye-less but it also displays a largely reduced orbit size. HSP90 inhibition leads to an increased variation in orbit size that could explain how this trait could evolve in just a few generations. Further analysis showed that low conductivity in the cave water induces a stress response mimicking the inhibition of HSP90, providing a mechanism for decanalisation. [22]

It is worth noting that interpretation of the original Drosophila paper [19] is now subject to controversy. Molecular analysis of the hsp83 mutant showed that HSP90 is required for piRNA biogenesis, a set of small RNAs repressing transposons in the germline. [23] , causing massive [[transposon [24] ]] insertional mutagenesis that could explain the phenotypic diversification. [25]

Understanding Variability is an extremely important aspect of understanding natural selection and mutations. Variability can be classified into two categories the first is modulating phenotypic variation and the second is modulating the phenotypes that are produced. [26] While this so call bias found in genetic variability is found the study allows us to further understand how certain phenotypes are more successful into its actual morphology, biochemical makeup, or behavior. [27] It is scientifically known that organisms have to developed systematically into integrated systems in order to thrive in their specific ecosystem. This splays to morphology in the order of variations as well as if the variations are not done in a systematic order the phenotypic mutation will not last as natural selection will occur. This variation effects the speed and rate of evolutionary change due to the selection and modulation of the phenotypic variations [28] This ultimately lows the amount of diversity seen through evolution as the majority of phenotypes never make it more than a couple generations due to their inferior basis of either morphology, biochemical makeup, or physical movement or appearance.


Contenuti

Mutational robustness Edit

Mutational robustness (also called mutation tolerance) describes the extent to which an organism’s phenotype remains constant in spite of mutation. [9] Robustness can be empirically measured for several genomes [10] [11] and individual genes [12] by inducing mutations and measuring what proportion of mutants retain the same phenotype, function or fitness. More generally robustness corresponds to the neutral band in the distribution of fitness effects of mutation (i.e. the frequencies of different fitnesses of mutants). Proteins so far investigated have shown a tolerance to mutations of roughly 66% (i.e. two thirds of mutations are neutral). [13]

Conversely, measured mutational robustnesses of organisms vary widely. For example, >95% of point mutations in C. elegans have no detectable effect [14] and even 90% of single gene knockouts in E. coli are non-lethal. [15] Viruses, however, only tolerate 20-40% of mutations and hence are much more sensitive to mutation. [10]

Robustness to stochasticity Edit

Biological processes at the molecular scale are inherently stochastic. [16] They emerge from a combination of stochastic events that happen given the physico-chemical properties of molecules. For instance, gene expression is intrinsically noisy. This means that two cells in exactly identical regulatory states will exhibit different mRNA contents. [17] [18] The cell population level log-normal distribution of mRNA content [19] follows directly from the application of the Central Limit Theorem to the multi-step nature of gene expression regulation. [20]

Environmental robustness Edit

In varying environments, perfect adaptation to one condition may come at the expense of adaptation to another. Consequently, the total selection pressure on an organism is the average selection across all environments weighted by the percentage time spent in that environment. Variable environment can therefore select for environmental robustness where organisms can function across a wide range of conditions with little change in phenotype or fitness (biology). Some organisms show adaptations to tolerate large changes in temperature, water availability, salinity or food availability. Plants, in particular, are unable to move when the environment changes and so show a range of mechanisms for achieving environmental robustness. Similarly, this can be seen in proteins as tolerance to a wide range of solvents, ion concentrations or temperatures.

Genomes mutate by environmental damage and imperfect replication, yet they display remarkable tolerance. This comes from robustness both at many different levels.

Organism mutational robustness Edit

There are many mechanisms that provide genome robustness. For example, genetic redundancy reduces the effect of mutations in any one copy of a multi-copy gene. [21] Additionally the flux through a metabolic pathway is typically limited by only a few of the steps, meaning that changes in function of many of the enzymes have little effect on fitness. [22] [23] Similarly metabolic networks have multiple alternate pathways to produce many key metabolites. [24]

Protein mutational robustness Edit

Protein mutation tolerance is the product of two main features: the structure of the genetic code and protein structural robustness. [25] [26] Proteins are resistant to mutations because many sequences can fold into highly similar structural folds. [27] A protein adopts a limited ensemble of native conformations because those conformers have lower energy than unfolded and mis-folded states (ΔΔG of folding). [28] [29] This is achieved by a distributed, internal network of cooperative interactions (hydrophobic, polar and covalent). [30] Protein structural robustness results from few single mutations being sufficiently disruptive to compromise function. Proteins have also evolved to avoid aggregation [31] as partially folded proteins can combine to form large, repeating, insoluble protein fibrils and masses. [32] There is evidence that proteins show negative design features to reduce the exposure of aggregation-prone beta-sheet motifs in their structures. [33] Additionally, there is some evidence that the genetic code itself may be optimised such that most point mutations lead to similar amino acids (conservative). [34] [35] Together these factors create a distribution of fitness effects of mutations that contains a high proportion of neutral and nearly-neutral mutations. [12]

Gene expression robustness Edit

During embryonic development, gene expression must be tightly controlled in time and space in order to give rise to fully functional organs. Developing organisms must therefore deal with the random perturbations resulting from gene expression stochasticity. [36] In bilaterians, robustness of gene expression can be achieved via enhancer redundancy. This happens when the expression of a gene under the control of several enhancers encoding the same regulatory logic (ie. displaying binding sites for the same set of transcription factors). In Drosophila melanogaster such redundant enhancers are often called shadow enhancers. [37]

Furthermore, in developmental contexts were timing of gene expression in important for the phenotypic outcome, diverse mechanisms exist to ensure proper gene expression in a timely manner. [36] Poised promoters are transcriptionally inactive promoters that display RNA polymerase II binding, ready for rapid induction. [38] In addition, because not all transcription factors can bind their target site in compacted heterochromatin, pioneer transcription factors (such as Zld o FoxA) are required to open chromatin and allow the binding of other transcription factors that can rapidly induce gene expression. Open inactive enhancers are call poised enhancers. [39]

Cell competition is a phenomenon first described in Drosophila [40] where mosaic Minutes mutants cells (affecting ribosomal proteins) in a wild-type background would be eliminated. This phenomenon also happens in the early mouse embryo where cells expressing high levels of Il mio c actively kill their neighbors displaying low levels of Il mio c espressione. This results in homogeneously high levels of Il mio c. [41] [42]

Developmental patterning robustness Edit

Patterning mechanisms such as those described by the French flag model can be perturbed at many levels (production and stochasticity of the diffusion of the morphogen, production of the receptor, stochastic of the signaling cascade, etc). Patterning is therefore inherently noisy. Robustness against this noise and genetic perturbation is therefore necessary to ensure proper that cells measure accurately positional information. Studies of the zebrafish neural tube and antero-posterior patternings has shown that noisy signaling leads to imperfect cell differentiation that is later corrected by transdifferentiation, migration or cell death of the misplaced cells. [43] [44] [45]

Additionally, the structure (or topology) of signaling pathways has been demonstrated to play an important role in robustness to genetic perturbations. [46] Self-enhanced degradation has long been an example of robustness in System biology. [47] Similarly, robustness of dorsoventral patterning in many species emerges from the balanced shuttling-degradation mechanisms involved in BMP signaling. [48] [49] [50]

Since organisms are constantly exposed to genetic and non-genetic perturbations, robustness is important to ensure the stability of phenotypes. Also, under mutation-selection balance, mutational robustness can allow cryptic genetic variation to accumulate in a population. While phenotypically neutral in a stable environment, these genetic differences can be revealed as trait differences in an environment-dependent manner (see evolutionary capacitance), thereby allowing for the expression of a greater number of heritable phenotypes in populations exposed to a variable environment. [51]

Being robust may even be a favoured at the expense of total fitness as an evolutionarily stable strategy (also called survival of the flattest). [52] A high but narrow peak of a fitness landscape confers high fitness but low robustness as most mutations lead to massive loss of fitness. High mutation rates may favour population of lower, but broader fitness peaks. More critical biological systems may also have greater selection for robustness as reductions in function are more damaging to fitness. [53] Mutational robustness is thought to be one driver for theoretical viral quasispecies formation.

Emergent mutational robustness Edit

Natural selection can select directly or indirectly for robustness. When mutation rates are high and population sizes are large, populations are predicted to move to more densely connected regions of neutral network as less robust variants have fewer surviving mutant descendants. [54] The conditions under which selection could act to directly increase mutational robustness in this way are restrictive, and therefore such selection is thought to be limited to only a few viruses [55] and microbes [56] having large population sizes and high mutation rates. Such emergent robustness has been observed in experimental evolution of cytochrome P450s [57] and B-lactamase. [58] Conversely, mutational robustness may evolve as a byproduct of natural selection for robustness to environmental perturbations. [59] [60] [61] [62] [63]

Robustness and evolvability Edit

Mutational robustness has been thought to have a negative impact on evolvability because it reduces the mutational accessibility of distinct heritable phenotypes for a single genotype and reduces selective differences within a genetically diverse population. [ citazione necessaria ] Counter-intuitively however, it has been hypothesized that phenotypic robustness towards mutations may actually increase the pace of heritable phenotypic adaptation when viewed over longer periods of time. [64] [65] [66] [67]

One hypothesis for how robustness promotes evolvability in asexual populations is that connected networks of fitness-neutral genotypes result in mutational robustness which, while reducing accessibility of new heritable phenotypes over short timescales, over longer time periods, neutral mutation and genetic drift cause the population to spread out over a larger neutral network in genotype space. [68] This genetic diversity gives the population mutational access to a greater number of distinct heritable phenotypes that can be reached from different points of the neutral network. [64] [65] [67] [69] [70] [71] [72] However, this mechanism may be limited to phenotypes dependent on a single genetic locus for polygenic traits, genetic diversity in asexual populations does not significantly increase evolvability. [73]

In the case of proteins, robustness promotes evolvability in the form of an excess free energy of folding. [74] Since most mutations reduce stability, an excess folding free energy allows toleration of mutations that are beneficial to activity but would otherwise destabilise the protein.

In sexual populations, robustness leads to the accumulation of cryptic genetic variation with high evolutionary potential. [75] [76]

Evolvability may be high when robustness is reversible, with evolutionary capacitance allowing a switch between high robustness in most circumstances and low robustness at times of stress. [77]

There are many systems that have been used to study robustness. In silicone models have been used to model RNA secondary structure, protein lattice models, or gene networks. Experimental systems for individual genes include enzyme activity of cytochrome P450, [57] B-lactamase, [58] RNA polymerase, [13] and LacI [13] have all been used. Whole organism robustness has been investigated in RNA virus fitness, [10] bacterial chemotaxis, Drosophila fitness, [15] segment polarity network, neurogenic network and bone morphogenetic protein gradient, C. elegans fitness [14] and vulval development, and mammalian circadian clock. [9]


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