Degenerace (biologie) - Degeneracy (biology)

V biologických systémech zvrhlost nastává, když strukturálně odlišné komponenty / moduly / cesty mohou za určitých podmínek vykonávat podobné funkce (tj. jsou účinně zaměnitelné), ale za jiných podmínek vykonávat odlišné funkce.[1][2] Degenerace je tedy relační vlastnost, která vyžaduje srovnání chování dvou nebo více složek. Zejména pokud je v páru složek přítomna degenerace, budou existovat podmínky, kdy se dvojice objeví funkčně nadbytečné ale další podmínky, kde se objeví funkčně odlišné.[1][3]

Všimněte si, že toto použití termínu nemá prakticky žádný vztah k otázně smysluplnému konceptu evoluce degenerovat populace, které ztratily rodový funkce.

Biologické příklady

Příklady degenerace lze nalézt v genetický kód, když mnoho různých nukleotidové sekvence kódovat totéž polypeptid; v skládání bílkovin, když se různé polypeptidy skládají, aby byly strukturně a funkčně ekvivalentní; v protein funkce, když jsou pozorovány překrývající se vazebné funkce a podobné katalytické specificity; v metabolismus, když je více, paralelní biosyntetický a katabolický cesty mohou koexistovat. Obecněji je degenerace pozorována u proteinů každé funkční třídy (např. enzymatický, strukturální nebo regulační),[4][5] proteinový komplex sestavy,[6] ontogeneze,[7] the nervový systém,[8] buněčná signalizace (přeslech) a mnoho dalších biologických kontextů přezkoumaných v.[1]

Příspěvek k robustnosti

Degenerace přispívá k robustnost z biologické vlastnosti prostřednictvím několika mechanismů. Degenerované komponenty se navzájem kompenzují za podmínek, kdy jsou funkčně nadbytečné, čímž poskytují robustnost proti selhání komponenty nebo cesty. Protože zdegenerované komponenty jsou poněkud odlišné, mají tendenci skrývat jedinečné citlivosti, takže cílený útok, jako je konkrétní inhibitor je méně pravděpodobné, že bude představovat riziko pro všechny komponenty najednou.[3] Existuje mnoho biologických příkladů, kdy degenerace tímto způsobem přispívá k robustnosti. Například, genové rodiny může kódovat různé proteiny s mnoha odlišnými rolemi, ale někdy se tyto proteiny mohou navzájem kompenzovat během ztráty nebo potlačení genová exprese, jak je patrné z vývojových rolí adhesiny genová rodina v Saccharomyces.[9] Živiny mohou být metabolizován odlišně metabolické cesty které jsou pro určité metabolity účinně zaměnitelné, i když celkové účinky jednotlivých cest nejsou totožné.[10][11] v rakovina terapie zaměřené na Receptor EGF jsou zmařeny koaktivace náhradníka receptorové tyrosinkinázy (RTK), které se částečně překrývají s receptorem EGF (a jsou tedy degenerované), ale nejsou cíleny stejným specifickým inhibitorem receptoru EGF.[12][13] Další příklady z různých úrovní biologické organizace lze nalézt v.[1]

Teorie

Teoretické vztahy mezi biologickými vlastnostmi, které jsou důležité pro evoluci. Přehled důkazů podporujících tyto vztahy najdete v části.[3]

Několik teoretických vývojů načrtlo vazby mezi degenerací a důležitými biologickými měřeními souvisejícími s robustností, složitostí a vyvíjitelnost. Tyto zahrnují:

  • Teoretické argumenty podporované simulacemi naznačují, že degenerace může vést k distribuovaným formám robustnosti v proteinových interakčních sítích.[14] Tito autoři naznačují, že podobné jevy pravděpodobně vzniknou v jiných biologických sítích a potenciálně mohou přispět k odolnosti ekosystémy také.
  • Tononi et al. našli důkaz, že degenerace je neoddělitelná od existence hierarchické složitosti v neurální populace.[8] Tvrdí, že souvislost mezi degenerací a složitostí bude pravděpodobně mnohem obecnější.
  • Docela abstraktní simulace podpořily hypotézu, že degenerace zásadně mění sklon genetického systému k přístupu k novému dědičnému fenotypy[15] a tato degenerace by proto mohla být předpokladem pro otevřený konec vývoj.
  • Byly integrovány tři výše uvedené hypotézy[3] kde navrhují, aby degenerace hrála ústřední roli v otevřeném vývoji biologické složitosti. Ve stejném článku bylo argumentováno, že absence degenerace v mnoha navržených (abiotických) komplexních systémech může pomoci vysvětlit, proč se zdá, že robustnost je v rozporu s flexibilitou a přizpůsobivostí, jak je vidět v softwaru, systémové inženýrství, a umělý život.[3]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d Edelman a Gally; Gally, J. A. (2001). „Degenerace a složitost v biologických systémech“. Sborník Národní akademie věd, USA. 98 (24): 13763–13768. Bibcode:2001PNAS ... 9813763E. doi:10.1073 / pnas.231499798. PMC  61115. PMID  11698650.
  2. ^ Mason, Paul H. (2. ledna 2015). „Degenerace: Demystifikace a destigmatizace klíčového konceptu v systémové biologii“. Složitost. 20 (3): 12–21. Bibcode:2015Cmplx..20c..12M. doi:10.1002 / cplx.21534.
  3. ^ A b C d E Whitacre (2010). „Degenerace: souvislost mezi vývojem, robustností a složitostí v biologických systémech“. Teoretická biologie a lékařské modelování. 7 (6): 6. arXiv:0910.2586. Bibcode:2009arXiv0910.2586W. doi:10.1186/1742-4682-7-6. PMC  2830971. PMID  20167097.
  4. ^ Atamas (2005). „Les affinités électives“. Pour la Science. 46: 39–43.
  5. ^ Wagner (2000). „Role velikosti populace, pleiotropie a fitness účinků mutací ve vývoji překrývajících se genových funkcí“. Genetika. 154 (3): 1389–1401. PMC  1461000. PMID  10757778.
  6. ^ Kurakin (2009). „Plynulý tok života: na biologii, ekonomii a fyziku buňky“. Teoretická biologie a lékařské modelování. 6 (1): 6. doi:10.1186/1742-4682-6-6. PMC  2683819. PMID  19416527.
  7. ^ Newman (1994). „Obecné fyzikální mechanismy morfogeneze tkáně: Společný základ pro vývoj a vývoj“. Journal of Evolutionary Biology. 7 (4): 480. doi:10.1046 / j.1420-9101.1994.7040467.x.
  8. ^ A b Tononi; Sporns, O .; Edelman, G. M .; et al. (1999). „Míra degenerace a redundance v biologických sítích“. Sborník Národní akademie věd, USA. 96 (6): 3257–3262. Bibcode:1999PNAS ... 96.3257T. doi:10.1073 / pnas.96.6.3257. PMC  15929. PMID  10077671.
  9. ^ Guo; Styles, C. A .; Feng, Q .; Fink, G. R .; et al. (2000). „Rodina genů Saccharomyces zapojená do invazivního růstu, adheze mezi buňkami a páření“. Sborník Národní akademie věd, USA. 97 (22): 12158–12163. Bibcode:2000PNAS ... 9712158G. doi:10.1073 / pnas.220420397. PMC  17311. PMID  11027318.
  10. ^ Kitano (2004). "Biologická odolnost". Genetika hodnocení přírody. 5 (11): 826–837. doi:10.1038 / nrg1471. PMID  15520792.
  11. ^ Ma a Zeng; Zeng, AP (2003). „Struktura připojení, obrovská silná složka a centralita metabolických sítí“. Bioinformatika. 19 (11): 1423–1430. doi:10.1093 / bioinformatika / btg177. PMID  12874056.
  12. ^ Huang; Mukasa, A .; Bonavia, R .; Flynn, R. A .; Brewer, Z. E .; Cavenee, W. K.; Furnari, F. B .; White, F. M .; et al. (2007). „Kvantitativní analýza buněčných signálních sítí EGFRvIII odhaluje kombinatorickou terapeutickou strategii pro glioblastom“. Sborník Národní akademie věd. 104 (31): 12867–72. Bibcode:2007PNAS..10412867H. doi:10.1073 / pnas.0705158104. PMC  1937558. PMID  17646646.
  13. ^ Stommel; Kimmelman, AC; Ying, H; Nabioullin, R; Ponugoti, AH; Wiedemeyer, R; Stegh, AH; Bradner, JE; et al. (2007). „Koaktivace receptorových tyrosinkináz ovlivňuje reakci nádorových buněk na cílené terapie“. Věda. 318 (5848): 287–90. Bibcode:2007Sci ... 318..287S. doi:10.1126 / science.1142946. PMID  17872411.
  14. ^ Whitacre a Bender; Bender, Axel (2010). „Síťové ukládání do vyrovnávací paměti: základní mechanismus pro distribuovanou robustnost ve složitých adaptivních systémech“. Teoretická biologie a lékařské modelování. 7 (20): 20. doi:10.1186/1742-4682-7-20. PMC  2901314. PMID  20550663.
  15. ^ Whitacre a Bender; Bender, A (2010). „Degenerace: konstrukční princip pro dosažení robustnosti a vyvíjitelnosti“. Journal of Theoretical Biology. 263 (1): 143–153. arXiv:0907.0510. doi:10.1016 / j.jtbi.2009.11.008. PMID  19925810.

Další čtení

Protože existuje mnoho odlišných typů systémů, které procházejí dědičnou variací a výběrem (viz Univerzální darwinismus ), degenerace se stala vysoce interdisciplinárním tématem. Následující text poskytuje krátký plán aplikace a studia degenerace v různých oborech.

Komunikace se zvířaty

Kulturní variace

  • Downey G (2012). „Kulturní variace v ragbyových dovednostech: předběžná neuroantropologická zpráva“. Annals of Anthropological Practice. 36 (1): 26–44. doi:10.1111 / j.2153-9588.2012.01091.x.

Ekosystémy

Epigenetika

Dějiny a filozofie vědy

  • Mason P.H. (2010). "Degenerace při několika úrovních složitosti". Biologická teorie. 5 (3): 277–288. doi:10.1162 / biot_a_00041.

Systémová biologie

Vývoj

Imunologie

Umělý život, Výpočetní inteligence

  • Andrews, P.S. a J. Timmis, Výpočetní model degenerace v lymfatickém uzlu. Přednášky z informatiky, 2006. 4163: s. 164.
  • Mendao, M., J. Timmis, P.S. Andrews a M. Davies. Imunitní systém po částech: Výpočetní lekce z degenerace v imunitním systému. v Základy výpočetní inteligence (FOCI). 2007.
  • Whitacre, J. M. a A. Bender. Degenerovaná neutralita vytváří vyvíjející se fitness krajiny. ve WorldComp-2009. 2009. Las Vegas, Nevada, USA.
  • Whitacre, J.M., P. Rohlfshagen, X. Yao a A. Bender. Role degenerované robustnosti ve vývoji systémů s více agenty v dynamických prostředích. v PPSN XI. 2010. Krakov, Polsko.
  • Macia J., Solé R. (2009). „Distribuovaná robustnost v celulárních sítích: poznatky ze synteticky vyvinutých obvodů“. Journal of the Royal Society Interface. 6 (33): 393–400. doi:10.1098 / rsif.2008.0236. PMC  2658657. PMID  18796402.
  • Fernandez-Leon, J.A. (2011). Vyvíjení kognitivně-behaviorálních závislostí v situovaných agentech pro odolnost chování. BioSystems 106, str. 94–110.[1]
  • Fernandez-Leon, J.A. (2011). Robustní chování: spojení mezi distribuovanými mechanismy a spojenou přechodovou dynamikou. BioSystems 105, Elsevier, str. 49–61.[2]
  • Fernandez-Leon, J.A. (2010). Vývoj robustního chování závislého na zkušenostech v ztělesněných agentech. BioSystems 103: 1, Elsevier, s. 45–56.[3]

Mozek

  • Cena, C. a K. Friston, Degenerace a kognitivní anatomie. Trends in Cognitive Sciences, 2002. 6 (10) s. 416–421.
  • Tononi, G., O. Sporns a G.M. Edelman, Míra degenerace a redundance v biologických sítích. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 1999. 96 (6) str. 3257–3262.
  • Mason, P.H. (2014) Co je normální? Historický průzkum a neuroantropologická perspektiva, v Jens Clausen a Neil Levy. (Eds.) Handbook of Neuroethics, Springer, str. 343–363.

Lingvistika

Onkologie

  • Tian, ​​T., S. Olson, J.M. Whitacre a A. Harding, Počátky odolnosti a evolučnosti rakoviny. Integrative Biology, 2011. 3: s. 17–30.

Peer Review

  • Lehky, S., Peer Evaluation and Selection Systems: Adaptace a maladaptation jednotlivců a skupin prostřednictvím Peer Review. 2011: BioBitField Press.

Výzkumní pracovníci

externí odkazy

  1. ^ Fernandez-Leon, J.A. (2011). "Vývoj kognitivně-behaviorálních závislostí v situovaných agentech pro odolnost chování". BioSystems. 106 (2–3): 94–110. doi:10.1016 / j.biosystems.2011.07.003. PMID  21840371.
  2. ^ Fernandez-Leon, J.A. (2011). "Robustní chování: spojení mezi distribuovanými mechanismy a spojenou přechodovou dynamikou". BioSystems. 105 (1): 49–61. doi:10.1016 / j.biosystems.2011.03.006. PMID  21466836.
  3. ^ Fernandez-Leon, J.A. (2010). "Vyvíjející se robustní chování závislé na zkušenostech v ztělesněných agentech". BioSystems. 103 (1): 45–56. doi:10.1016 / j.biosystems.2010.09.010. PMID  20932875.