General principles in the evolution of complex and robust morphologies

Abstract

Les morfologies dels organismes pluricel·lulars es construeixen a partir de les interaccions entre gens, cèl·lules i el medi ambient en un procés anomenat desenvolupament. L’objectiu d’aquesta tesi va ser determinar quins principis generals ha de complir el desenvolupament per produir morfologies complexes i robustes. Definim la complexitat com la quantitat d'entropia en la distribució de les cèl·lules en l'espai. Definim la robustesa com la capacitat de produir la mateixa morfologia a partir de la mateixa informació genètica, epigenètica i ambiental i malgrat el soroll intrínsec al desenvolupament. Aquesta tesi inclou quatre estudis.

El primer estudi va determinar quines morfologies són més probables en l'evolució animal. Per a aquest estudi utilitzem EmbryoMaker, un model general de desenvolupament que pot simular qualsevol xarxa que reguli propietats i comportaments cel·lulars, interaccions mecàniques, senyalització entre cèl·lules i les morfologies que sorgeixen de tota aquest regulació. Varem utilitzar condicions inicials esfèriques amb un territori gènic (i.e. grups de cèl·lules amb la mateixa expressió gènica) anterior i un altre dorsal. Varem realitzar milers de simulacions canviant les propietats i comportaments regulats a cada territori per explorar quines morfologies son possibles. Les nostres simulacions suggereixen que el que les transformacions morfogèniques més probables són elongacions, plegaments, condensacions i creixement anisotròpic. Trobem paral.lelismes entre les nostres simulacions i els estadis de desenvolupament primerencs i els fossils dels primers animals.

El segon estudi va oferir una expectativa de la robustesa intrínseca del desenvolupament, en absència de mecanismes que esmorteeixin el soroll. Varem explorar l'espai de mecanismes de desenvolupament possibles creant-ne un gran nombre a l'atzar. Després, varem simular aquests mecanismes amb EmbryoMaker per explorar les morfologies que poden produir a partir de condicions inicials senzilles semblants a una blàstula. Varem trobar que la divisió cel·lular és el major contribuent al soroll en el desenvolupament. Fins i tot quan les condicions inicials només creixen per divisió cel·lular, es desenvolupen plecs distribuïts aleatòriament També varem trobar que els bucles d'autoactivació en productes gènics que no difonen amplifiquen el soroll a nivell cel·lular, mentre que la senyalització a llarga distància i la rigidesa de l'epiteli poden reduir el soroll morfològic.

El tercer estudi va analitzar com la divisió cel·lular introdueix soroll en el desenvolupament barrejant cèl·lules amb diferent expressió gènica a les vores dels territoris. Trobem que aquesta barreja de cèl·lules dóna lloc a territoris amb vores sinuoses i la morfogènesi en aquests territoris porta a morfologies sorolloses. També varem trobar que el soroll introduït per la divisió cel·lular és més conspicu en territoris petits i estrets, ja que aquests tenen una alta ràtio entre perímetre i àrea. Després, varem examinar els mecanismes d'esmorteïment del soroll que poden reduir la barreja de cèl·lules a les vores dels territoris. Trobem que l'estabilitat del desenvolupament pot augmentar si les cèl·lules d'un territori presenten una alta adhesió homotípica, si les cèl·lules a la vora del territori pateixen contracció al pla de l'epiteli o si les cèl·lules a les vores entre territoris es divideixen lentament. A més, encara que la senyalització a curta distància augmenta el soroll copiant les vores irregulars dels territoris, una senyalització constant pot reduir el soroll als territoris induïts.

A l'últim estudi expandim el marc teòric de la biologia evolutiva del desenvolupament a altres nivells d'organització biològica. Argumentem que, per entendre el canvi evolutiu, cal estudiar els processos que generen variació i els que l'eliminen. A la morfologia, el procés generatiu és el desenvolupament, però altres nivells fenotípics tenen processos anàlegs com, per exemple, el plegament en les proteïnes. Finalment argumentem que aquest treball podria formar part d'un esforç per desenvolupar un nou marc teòric unificat per a la biologia evolutiva.

Las morfologias de los organismos pluricelulares se construyen a partir de las interacciones entre genes, células y el medio ambiente en un proceso llamado desarrollo. El objetivo de esta tesis fue determinar qué principios generales debe cumplir el desarrollo para producir morfologías complejas y robustas. Definimos complejidad como la cantidad de entropía en la distribución de las células en el espacio. Definimos robustez como la capacidad de producir el misma morfología a partir de la misma información genética, epigenética y ambiental; a pesar del ruido intrínseco al desarrollo. Esta tesis incluye cuatro estudios.

El objetivo del primer estudio fue determinar qué morfologías son más probables en la evolución animal. Utilizamos EmbryoMaker, un modelo general de desarrollo que puede simular cualquier red que regule propiedades y comportamientos celulares, las interacciones mecánicas y señalización entre células y las morfologías que surgen de estas. Creamos condiciones iniciales esféricas con un territorio génico anterior y otro dorsal (i.e. grupos de células con la misma expresión génica). Realizamos miles de simulaciones cambiando las propiedades y comportamientos regulados en las células de estos territorios para explorar qué morfologías podrían haber sido posibles. Nuestras simulaciones sugieren que las transformaciones morfogénicas más probables son alargamiento, invaginación, evaginación, condensación y crecimiento anisotrópico. Encontramos paralelos entre nuestras simulaciones con estadios tempranos del desarrollo y fósiles de animales primitivos.

El objetivo del segundo estudio fue ofrecer una expectativa de la robusted intrínseca del desarrollo, en ausencia de mecanismos que amortiguen el ruido. Exploramos el espacio de mecanismos de desarrollo posibles creando un gran número de ellos al azar. Luego, simulamos esos mecanismos con EmbryoMaker para explorar las morfologías que pueden producir a partir de condiciones iniciales sencillas parecidas a una blástula. Encontramos que la división celular es el mayor contribuyente al ruido en el desarrollo. Incluso cuando las condiciones iniciales solo crecen por division celular, desarrollan pliegues distribuídos aleatoriamente. También encontramos que los bucles de auto-activación en moléculas que no difunden amplifican el ruido a nivel celular, mientras que la señalización a larga distancia y la rigidez del epitelio pueden reducir el ruido morfológico.

El tercer estudio analizó cómo la division celular introduce ruido en el desarrollo mezclando células con distinta expresión génica en los bordes de los territorios. Encontramos que esta mezcla de células da lugar a territorios con bordes sinuosos y la morfogénesis en esos territorios lleva a morfologías ruidosas. También encontramos que el ruido introducido por la división celular es más conspicuo en territorios pequeños y estrechos, que ya tienen un alto ratio entre perímetro y área. Luego, examinamos los mecanismos de amortiguamiento del ruido que pueden reducir la mezcla de células en los bordes de los territorios. Encontramos que la estabilidad del desarrollo puede aumentarse si las células de un territorio presentan una alta adhesión homotípica, si las células en el borde del territorio sufren contracción en el plano del epitelio o si las células en los bordes entre territorios se dividen lentamente. Además, aunque la señalización a corta distancia aumenta el ruido copiando los bordes irregulares de los territorios, una señalización constante puede reducir el ruido en los territorios inducidos.

En el último estudio expandimos el marco teórico de la biología evolutiva del desarrollo a otros niveles de organización biológica. Argumentamos que, para entender el cambio evolutivo, es necesario estudiar los procesos que generan variación y los que la eliminan. En la morfología, el proceso generativo es el desarrollo, pero otros niveles fenotípicos tienen procesos análogos como, por ejemplo, el plegamiento en las proteínas. Finalmente, argumentamos que este trabajo podría formar parte de un esfuerzo para desarrollar un nuevo marco teórico unificado para la biología evolutiva.

The morphology of multicellular organisms is built by the interactions between genes, cells and environment in a process called development. The aim of this thesis was to determine what general principles should development meet to produce complex and robust morphologies. We define complexity as the amount of entropy in the distribution of cells in space. Robustness is defined as the ability to produce the same morphology from the same genetic, epigenetic and environmental information in spite of the noise intrinsic to the process of development. This thesis compiles four studies.

In the first study, we aimed to determine what morphologies are more likely to appear during animal evolution. We used EmbryoMaker, a general model of development that can simulate any gene network regulating cell properties and behaviours, the mechanical interactions and signaling between cells and the morphologies arising from those. We created spherical initial conditions with anterior and dorsal territories of gene expression (i.e. groups of cells with common gene expression). We performed thousands of simulations changing the cell properties and behaviours regulated in these territories to explore which morphologies may have been possible. Our simulations suggest that elongation, invagination, evagination, condensation and anisotropic growth are the morphogenetic transformations more likely to appear from changes in cell properties and behaviors. We also found some parallels between our simulations and the morphologies of simple animals, some early stages of animal development and fossils attributed to early animals.

In the second study we aimed to offer an expectation of how robust is development by itself, without any noise buffering mechanism. To answer this question, we explored the space of possible developmental mechanisms by randomly building a large number of them. We then simulated these mechanisms with EmbryoMaker to explore the morphologies they can develop from very simple blastula-like initial conditions. We found that cell division is the largest contributor to developmental noise. Just when growing by cell division, our initial conditions developed randomly placed folds. We also found that self-activatory loops in non-diffusible molecules amplify cell-level noise, while long-range signaling and epithelial stiffness can reduce morphological noise.

In the third study we focused on how cell division introduces developmental noise by mixing cells with different cell expression in the borders of territories. We found that this cell mixing leads to territories with sinuous borders and the activation of morphogenesis in such territories leads to noisy morphologies. We also found that the noise introduced by cell division is more conspicuous in small and narrow territories, that already have a high perimeter area ratio. Then, we examined buffering mechanisms that can increase developmental stability by reducing cell mixing in the borders of territories. We found that developmental stability can be highly increased if the cells within a territory present strong homotypic adhesion, if the cells in the border of the territory suffer planar cell contraction or if the cells in the borders of the territories divide slowly. Moreover, we found that, although short range signaling can increase developmental noise by copying the irregular borders of territories, constant signaling can reduce noise in induced territories.

In the last article, we expanded the evolutionary developmental framework used in this thesis to other levels of biologic organization. We argued that to understand evolutionary change it is necessary to study the processes that generate variation and the ones that remove variation. In morphology, this generative process is development, but other phenotypic levels have analogous processes, for example folding in proteins. Finally, we argue that this work could be part of an effort to develop a new unified theoretical framework for evolutionary biology.