基因表达动力学中对噪声与突变的鲁棒性的演化

生物系统的表型需要对突变具有鲁棒性，以便在代际间维持自身。另一方面，个体的表型也需要对生长和发育过程中遇到的内外源波动具有鲁棒性。这两类鲁棒性（其一在单代内，另一在演化中）之间是否存在关系？基因表达中的随机性是否与这些鲁棒性的演化相关？鲁棒性可由表型分布的锐度定义；由遗传变异引起的表型分布方差给出“遗传鲁棒性”的度量，而等基因个体的方差给出“发育鲁棒性”的度量。通过对经历突变与选择的简单随机基因表达网络进行模拟，我们表明网络要获得两类鲁棒性，突变诱导的表型方差必须小于等基因群体中所观察到的方差。由于后者源于基因表达中的噪声，这意味着仅当基因表达中的噪声强度大于某阈值时遗传鲁棒性才演化。在此情况下，两个方差在演化时间进程中均减小，表明鲁棒性增加。结果揭示了细胞在生长和发育中遇到的噪声如何塑造网络对基因表达随机性的鲁棒性，后者进而塑造网络对突变的鲁棒性。鲁棒性演化的条件以及遗传与发育鲁棒性间的关系通过表型波动的方差导出，该方差可经实验测量。