The Consequences of stochastic gene expression in the nematode Caenorhabditis elegans

Abstract

Genetically identical cells and organisms growing in homogenous environmental conditions can show significant phenotypic variation. Furthermore, mutations often have consequences that vary among individuals (incomplete penetrance). Biochemical processes such as those involved in gene expression are subjected to fluctuations due to their inherent probabilistic nature. However, it is not clear how these fluctuations affect multicellular organisms carrying mutations and if stochastic variation in gene expression among individuals could confer any advantage to populations. We have investigated the consequences of stochastic gene expression using the nematode Caenorhabditis elegans as a model. Here we show that inter-individual stochastic variation in the induction of both specific and more general buffering systems combine to determine the outcome of inherited mutations in each individual. Also, we demonstrate that genetic and environmental robustness are coupled in C. elegans. Individuals with higher induction of stress response are more robust to the effect of mutations, however they incur a fitness cost, thus suggesting that variation at the population level could be beneficial in unpredictable environments.

Células y organismos genéticamente idénticos y creciendo en un ambiente homogéneo pueden mostrar diferencias en sus fenotipos. Además, una misma mutación puede afectar de un modo distinto a individuos de una misma población. Es sabido que los procesos bioquímicos responsables de la expresión de genes están sujetos a fluctuaciones debido a su inherentemente naturaleza probabilística. Sin embargo, el rol que juegan estas fluctuaciones en individuos portadores de mutaciones ha sido poco estudiado, así cómo si la expresión estocástica de genes puede conferir alguna ventaja al nivel poblacional. Para investigar las consecuencias de la expresión estocástica de genes usamos como modelo al nemátodo Caenorhabditis elegans. En este trabajo demostramos que existe variación entre individuos en la inducción de mecanismos (tanto gen-específicos como globales) que confieren robustez al desarrollo. En consecuencia, diferencias fenotípicas entre mutantes están determinadas por su variación. También, demostramos que la robustez a perturbaciones genéticos y ambientales están estrechamente ligadas en C. elegans. Individuos que inducen estocásticamente una mayor respuesta a stress, están fenotípicamente mejor protegidos al efecto de mutaciones pero incurren en un costo reproductivo importante. Eso sugiere, que variaciones estocásticas al nivel poblacional pueden ser benéficas cuando las poblaciones afrontan ambientes impredecibles.