Dynamics of gene expression in the genotype-phenotype map
Author
Bajic, DjordjeAdvisor
Poyatos Adeva, Juan FernandoEntity
UAM. Departamento de Física de la Materia CondensadaDate
2016-02-08Subjects
Fenotipos - Tesis doctorales; FísicaNote
Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada. Fecha de lectura: 08 de febrero de 2016Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
Genetic and environmental components can combine in quite complex ways to determine
the phenotype of living organisms. Broadly, the goal of this thesis is to understand some
of the design principles and constraints driving this assembly. We first study how genetic
interaction networks – composed of phenotypically relevant interactions between genes –
change in response to perturbation in their elements. Such networks at the genome-scale are
progressively contributing to map the molecular circuitry that determines cellular behaviour.
To what extent this mapping changes in response to different environmental or genetic conditions
is however largely unknown. In Chapter 1 we assembled a genetic network using an
in silico model of yeast metabolism to explicitly ask how separate genetic backgrounds alter
the overall structure of the network. Backgrounds defined by single deletions induce particularly
strong rewiring when the deletion corresponds to a catabolic or central metabolic gene,
evidencing compensatory versatility. We found as well that weak interactions and those linking
functionally separate genes tend to be more unstable. Overall, these patterns reflect the
distributed robustness of core metabolic pathways. We examined as well a second class of
evolutionary-motivated background, defined as a neutral mutation accumulation. The observed
genetic network instability (predominantly in negative interactions) together with an
increase in essential genes reflects a global reduction in buffering. Notably, rewiring of the genetic
network is associated as well to a diminished environmental plasticity, what emphasizes
a mechanistic integration of genetic and environmental buffering. More generally, this work
demonstrates how the specific mechanistic causes of robustness influence the architecture of multiconditional genetic interaction maps.
In Chapters 2, 3 and 4, we shift to systems that regulate the expression of genes. The plastic
expression of different phenotypes enables organisms to respond to a wide variety of environmental
changes, adapting their homeostasis. The dynamics of this plasticity can gen particularly
interesting when operating mechanisms involve feedback, for instance when a gene
encodes its own activator or repressor. The integration of positive and negative feedbacks can
establish intricate patterns such as multistability, pulsing or oscillations. This depends on the
specific characteristics of each interlinked feedback. In Chapter 2, we investigate a circuit associated
with a dual, positive and negative transcriptional autoregulatory motif derived from
the multiple antibiotic resistance system (mar) of Escherichia coli. Our results show that this
motif enhances response speedup when it incorporates a linear positive feedback. Linearity
also anticipates a homogeneous population phenotype anda higher input sensitivity, which
we corroborate experimentally. As the motif is embedded in a broader regulatory network,
we also studied how the system integrates additional cross-talks. Notably, the presence of an
accessory positive regulation scales the response so that the circuit becomes unresponsive to
other (metabolic) stress signals. Overall, we found that an antagonistic autoregulatory motif
genetically encoded as a bicistron represents a versatile stimulus-response mode of control
through the action of the positive-feedback regulation.
Beyond precise and specific regulatory systems such as mar, in Chapter 3 we explore the
possibility that more broad and “stereotypic” expression programs also exist. We firstly analyzed
a genome-scale expression dataset comprising single gene deletions in 25% of Saccharomyces
cerevisiae genes. Our analyses suggest that tens of broad expression programs exist
that explain more variation in this dataset than expected at random. We further find that these programs seem to be activated also in conditions different to gene deletion, such as environmental
perturbation or upon experimental compensatory evolution. These results suggest
the possibility that broad, unspecific, “educated guess” gene expression responses have
evolved as an adaptation to uncertain environments.
Finally, in Chapter 4, we focus on a phenomenon by which the ability of expression change
(plasticity) appears coupled to uncontrolled, stochastic expression variation (noise). This
coupling can constrain gene function and limit adaptation. We examine the factors that contribute
at the molecular level to modulate this coupling. Both transcription re-initiation and
strong chromatin regulation are generally associated to coupling. Alternatively we show that
strong regulation can lead to plasticity without noise. The nature of this regulation is also
relevant, with plastic but noiseless genes subjected to broad expression activation whereas
plastic and noisy genes experience targeted repression. This differential action is particularly
illustrated in how histones influence these genes. The cost of coupling plasticity to noise
seems to be then compensated by a wider regulatory versatility. Contrarily, in genes with
low plasticity, translational efficiency is the main determinant of noise, a pattern we found
linked to gene length. Genome architecture (particularly, neighboring genes) appear then as
a modifier only effective in highly plastic genes. In this class, we confirm bipromoters as a
architecture capable to reduce coupling (by reducing noise) but also highlight its limitation
(as they could also decrease plasticity). This presents ultimately a paradox between intergenic
distances and modulation, with short intergenic distances both associated and disassociated
to noise at different plasticity levels. In summary, balancing the coupling among different
types of expression variability appears as a potential shaping force of genome architecture
and regulation. 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.
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