Abstrakt
Epigenetische Schalter sind bistabile, molekulare Systeme, die aus sich selbst verstärkenden Rückkopplungsschleifen bestehen und spontan zwischen vererbbaren Phänotypen umschalten können, wenn keine DNA-Mutation vorliegt. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass sich epigenetische Schalter zunächst als ein Mechanismus des "bet-hedging" und der Anpassung entwickelt haben, aber die evolutionären Pfade und Bedingungen, unter denen ein epigenetischer Schalter die Anpassung durch genetische Mutation verdrängen kann, sind nach wie vor unbekannt. Hier haben wir mit Hilfe von Computersimulationen ein mechanistisches, biophysikalisches Modell eines selbstaktivierenden genetischen Schaltkreises entwickelt, der sich sowohl genetisch durch Mutation anpassen als auch epigenetische Schaltvorgänge aufweisen kann. Wir haben diese genetischen Schaltkreise in einer fluktuierenden Umgebung entwickelt, in der abwechselnd niedrige und hohe Proteinexpressionsniveaus ausgewählt wurden. Unter allen getesteten Bedingungen entwickelte sich die Population zunächst durch genetische Mutation in Richtung einer Region von Genotypen, in der die genetische Anpassung nach jedem Umweltwechsel schneller erfolgen kann. Sobald diese Region erreicht ist, kann der selbstaktivierende genetische Schaltkreis epigenetische Veränderungen aufweisen, die dann mit der genetischen Anpassung konkurrieren. Wir zeigen einen Kompromiss zwischen der Minimierung der Anpassungszeit und der Erhöhung der Robustheit des Phänotyps gegenüber biochemischem Rauschen. Die epigenetische Umschaltung war in einer schnell fluktuierenden Umgebung überlegen, da sie sich nach einem Umweltübergang schneller anpasste als die genetische Mutation, während sie gleichzeitig die Auswirkungen des biochemischen Rauschens auf den Phänotyp abschwächte. Umgekehrt wurde die genetische Anpassung in einer langsam fluktuierenden Umgebung bevorzugt, weil sie die phänotypische Robustheit gegenüber biochemischem Rauschen während der konstanten Umgebung zwischen den Übergängen maximierte, auch wenn dies zu einer langsameren Anpassung führte. Dieser einfache Kompromiss sagt die Bedingungen und Verläufe voraus, unter denen sich ein epigenetischer Schalter entwickelt hat, um die genetische Anpassung zu verdrängen, und wirft ein Licht auf die möglichen Mechanismen, durch die "bet-hedging"-Strategien in natürlichen Populationen entstehen und fortbestehen könnten.