ヘッジホッグ勾配の動的な読み取りによる、ドロソフィラ翅板における堅牢性と精度のトレードオフ

Core Concepts

単一の形態形成因子勾配が、標的遺伝子間で異なる堅牢性と精度のプロパティを確立できることを示す。

Abstract

本研究では、ドロソフィラ翅板における形態形成因子ヘッジホッグ(Hh)の動的な解釈モデルを分析しました。従来の定常状態モデルでは、すべての標的遺伝子が同じ堅牢性を示すのに対し、動的解釈モデルでは、過渡的な「オーバーシュート」勾配によって定義される標的遺伝子(dpp)と、定常状態勾配によって定義される標的遺伝子(col)の間で、堅牢性に差異が生じることを示しました。 具体的には、colの発現パターンはHhの用量変化に対して堅牢であるのに対し、dppの発現パターンは脆弱であることを実験的に確認しました。この差異は、Hh依存的なptc発現上昇による自己促進的リガンド分解が、colの堅牢性を説明することで明らかになりました。一方、dppは過渡的オーバーシュート勾配によって定義されるため、この自己促進的分解の恩恵を受けられず、堅牢性が低下する代わりに、より高い精度を獲得することが示唆されました。 このように、単一の形態形成因子勾配が、標的遺伝子間で異なる堅牢性と精度のプロパティを確立できることが明らかになりました。これは、発生過程における堅牢性と可塑性のバランスを実現する一つの戦略であると考えられます。

Stats

ヘテロ接合体の翅板におけるcolパターンの幅は野生型に比べて1.64μm狭くなった。 ヘテロ接合体の翅板におけるdppパターンの幅は野生型に比べて5.56μm狭くなった。

Quotes

col発現パターンの幅は、hhの遺伝子量に対して堅牢である。 dpp発現パターンの幅は、hhの遺伝子量に対して脆弱である。

Key Insights Distilled From

Dynamic readout of the Hh gradient in the Drosophila wing disc reveals pattern-specific tradeoffs between robustness and precision

by Reyes,R., La... at www.biorxiv.org 12-22-2022

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.12.21.521489v1

Deeper Inquiries

Hh依存的なptc発現上昇以外に、colの堅牢性を説明する他のメカニズムはないだろうか。

colの堅牢性を説明する他のメカニズムとして、Hhシグナル伝達経路における他のフィードバックループや調節機構が考えられます。例えば、Hhシグナル伝達に関与する他の因子や共役因子が、colの発現を調節し、堅牢性を確保している可能性があります。また、Hhシグナル伝達経路以外のシグナル伝達経路や細胞内シグナル伝達経路が、colの発現に影響を与えている可能性も考えられます。さらに、細胞間相互作用や細胞内のシグナル伝達ネットワークによって、colの発現が調節されている可能性もあります。

dppの発現パターンが脆弱であるのは望ましいのか、それとも別の利点があるのだろうか。

dppの発現パターンが脆弱であることには、特定の利点が存在する可能性があります。例えば、dppの発現パターンが脆弱であることによって、柔軟性や変異への対応力が高まる可能性があります。この柔軟性は、進化的な変化や環境変化に対応する際に有益である場合があります。また、dppの発現パターンが脆弱であることで、他の遺伝子やシグナル伝達経路との相互作用や調節が容易になる可能性も考えられます。したがって、dppの発現パターンが脆弱であることには、進化的な利点や柔軟性があると考えられます。

形態形成因子勾配が標的遺伝子間で異なる堅牢性と精度のプロパティを確立する、他の生物学的システムはないだろうか。

形態形成因子勾配が標的遺伝子間で異なる堅牢性と精度のプロパティを確立する他の生物学的システムとして、例えば胚発生や器官形成における他のモデル生物やシステムが挙げられます。例えば、ショウジョウバエ以外のモデル生物や植物においても、形態形成因子勾配が異なる標的遺伝子に異なる堅牢性と精度をもたらす例があるかもしれません。また、神経系や細胞分化におけるシグナル伝達経路やモルフォゲン勾配によっても、異なる標的遺伝子間で堅牢性と精度のプロパティが確立される可能性があります。さまざまな生物学的システムやモデル生物を通じて、形態形成因子勾配の異なる影響を研究することで、堅牢性と精度のプロパティを持つ他の生物学的システムを理解することができるかもしれません。