EvoDevo in phase space: the dynamics of gap gene expression

Abstract

During insect development segments either form sequentially (short-germband) or simultaneously (long-germband) . The gap genes comprise the first zygotic regulatory layer of the segmentation gene hierarchy in flies, which use the long-germband mode. A data-driven mathematical model reveals that two distinct dynamical regimes govern anterior and posterior trunk gap gene patterning in Drosophila melanogaster. Stationary anterior domains rely on multi-stability whilst the observed anterior shifts of posterior domains are an emergent property of a damped oscillator mechanism. Both types of dynamics are recovered by a three-gene sub-network embedded in the gap gene regulatory network, which can also sustain oscillations. Oscillations are not found in the gap gene system but are characteristic of short-germband segmentation, suggesting that both modes are more similar than previously thought. This insight sheds light on how long-germband segmentation could have repeatedly and independently evolved from the ancestral short-germband mode.

Durant el desenvolupament dels insectes, els segments es formen seqüencialment (desenvolupament de banda curta) o simultàniament (desenvolupament de banda llarga). Els gens gap constitueixen la primera capa de regulació cigòotica en la jerarquia de la segmentació en mosques, que fan servir un desenvolupament de banda llarga. Amb un model matemàtic posam al descobert que dos règims dinàmics diferents governen la formació de patrons a les parts anteriors i posteriors de la Drosophila melanogaster. Els dominis anteriors són estàtics i depenen de la multi-estabilitat del sistema en aquesta part, mentre que el desplacament anterior dels dominis posteriors es una propietat emergent d’un oscial·ldor amortidor. Una subxarxa de tres gens immersa a la xarxa dels gens gap recupera aquests dos tipus de dinàmiques. Aquesta subxarxa tamb é pot oscil·lar. Al sistema dels gens gap no hi han cap osciacions però sabem que són característiques de la segmentació de banda curta. Això suggereix que els dos tipus de segmentació s’hi assemblen més del que pensavem. Aquest descobriment ens ajudara entendre com pot haver evolucionat la segmentació de banda llarga repetides vegades de la segmentació de banda curta, que es la més ancestral.