遺伝子発現の予測モデルは酵母の交配応答におけるネットワークモチーフの役割を明らかにする

Sci. Signal. 16 Feb 2021:
Vol. 14, Issue 670, eabb5235
DOI: 10.1126/scisignal.abb5235

Amy E. Pomeroy^1,†, Matthew I. Peña^2,*,†, John R. Houser², Gauri Dixit³, Henrik G. Dohlman³, Timothy C. Elston^2,4,‡, and Beverly Errede^3,‡

1. ¹ Curriculum in Bioinformatics and Computational Biology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.
2. ² Department of Pharmacology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.
3. ³ Department of Biochemistry and Biophysics, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.
4. ⁴ Computational Medicine Program, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.

‡ Corresponding author. Email: errede@email.unc.edu (B.E.); telston@med.unc.edu (T.C.E.)

* Present address: Department of BioSciences, Rice University, Houston, TX 77005, USA.

† These authors contributed equally to this work.

要約

細胞はシグナル伝達経路を用いて、環境に関する情報を受信して処理する。これらの非線形系は、フィードバックとフィードフォワード調節に依存して、変化する環境条件に適切に応答する。シグナル伝達経路を記述する数理モデルは、これらの調節機構が機能する多様な時間スケールを網羅するデータで仕込まれていないため、予測力が不足していることがよくある。フェロモンの異なる動的パターンにさらされた出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）の交配応答により誘導される転写変化を測定することにより、この制限に対処した。われわれは、フェロモン誘導性の転写がフェロモン除去後も持続し、持続的なフェロモン曝露時に長期適応を示すことを見出した。交配応答の両方の特徴を捉えた調節ネットワークのモデルを開発した。このモデルを、進化的アルゴリズムを用いて実験データに適合させ、パラメータ化されたモデルを用いて、異なる時間的刺激プロファイルや経路構成因子への遺伝的摂動など、仕込まれていないシナリオを予測した。われわれのモデルは、遺伝子発現の調節におけるネットワークの4つのアーキテクチャ要素の役割を確立することを可能にした。そのネットワークモチーフは、非干渉性フィードフォワード、正のフィードバック、負のフィードバック、およびリプレッサー結合である。これらのネットワークモチーフに対する実験的および計算上の摂動は、持続的かつ動的な刺激に対する交配応答を調整する上で、それぞれに特定の役割を確立した。

Citation: A. E. Pomeroy, M. I. Peña, J. R. Houser, G. Dixit, H. G. Dohlman, T. C. Elston, B. Errede, A predictive model of gene expression reveals the role of network motifs in the mating response of yeast. Sci. Signal. 14, eabb5235 (2021).