Intraspecific evolution of the intercellular signaling network underlying a robust developmental system

Abstract

Many biological systems produce an invariant output when faced with stochastic or environmental variation. This robustness of system output to variation affecting the underlying process may allow for "cryptic" genetic evolution within the system without change in output. We studied variation of cell fate patterning of Caenorhabditis elegans vulva precursors, a developmental system that relies on a simple intercellular signaling network and yields an invariant output of cell fates and lineages among C. elegans wild isolates. We first investigated the system's genetic variation in C. elegans by means of genetic tools and cell ablation to break down its buffering mechanisms. We uncovered distinct architectures of quantitative variation along the Ras signaling cascade, including compensatory variation, and differences in cell sensitivity to induction along the anteroposterior axis. In the unperturbed system, we further found variation between isolates in spatio-temporal dynamics of Ras pathway activity, which can explain the phenotypic differences revealed upon perturbation. Finally, the variation mostly affects the signaling pathways in a tissue-specific manner. We thus demonstrate and characterize microevolution of a developmental signaling network. In addition, our results suggest that the vulva genetic screens would have yielded a different mutation spectrum, especially for Wnt pathway mutations, had they been performed in another C. elegans genetic background.[Keywords: Signaling network; evolution; C. elegans; vulva; robustness; cryptic variation] Supplemental material is available at http://www.genesdev.org.

Variations génétiques et environnementales dans un réseau de signalisation intercellulaire

“…La mutation let-23(sy1) a par exemple un effet important pour les vers ayant le fonds génétique standard de laboratoire (N2), et presque pas d'effet s'ils présentent un autre fonds génétique sauvage (AB1) ( Figure 3B). À l'inverse, une mutation dans une autre voie moléculaire (Wnt) a un effet faible dans le fonds génétique standard (et pour cette raison, n'avait pas été isolée dans les cribles pour les mutants de la vulve de C. elegans), et plus fort dans d'autres fonds génétiques [12]. Cet effet du fonds génétique se retrouve chez tous les organismes : par exemple chez la drosophile ou la souris, une mutation de l'EGFR aura des conséquences différentes en fonction du fonds génétique [13,14].…”

“…B. Épistasie entre la variation à un locus a et le fonds génétique naturel d'une souche. L'exemple correspond à la mutation let-23(sy1) dans les fonds géné-tiques sauvages N2 et AB1 de C. elegans [12]. C. Épistasie entre la variation à un locus c et l'environnement.…”

“…B. Activité de la voie Ras dans les fonds génétiques sauvages N2 (bleu) et AB1 (violet) dans des conditions d'environnement « vers nourris ». Associée à des données telles que celles représentées dans la Figure 3B, cette quantification suggère une plus forte activation de la voie Ras dans la souche AB1 que chez N2, qui compense des mutations hypomorphes de cette voie [12]. C. Schéma reprenant la représentation de la Figure 1, résumant la variation cryptique dans le système.…”

“…souches sauvages de C. elegans [12] ou (2) dans différents environnements de développement [15] révèle respectivement des variations génétiques et environnementales (voir plus haut à propos de l'épistasie ; Figure 3B, C). Le second type de méthode utilisé pour révéler une variation cryptique consiste à directement mesurer un phénotype « intermédiaire » (ou endophénotype) du système, comme la position de la cellule ancre (voir ci-dessus ; Figure 4B) ou le niveau d'activation d'une voie moléculaire ( Figure 5).…”

“…Lors d'expériences d'ablation au laser de la cellule ancre, le motif final de trois cellules induites apparaît plus tôt chez AB1 que chez N2. Enfin, le rapporteur transcriptionnel de la voie Ras a une activité plus élevée chez AB1 que chez N2 [12]. Ces éléments concordent pour indiquer une plus forte activité de la voie Ras chez AB1, qui supprime l'effet des réductions d'activité (il n'y a pas de perte totale) dans la voie et amplifie celui des gains d'activité.…”