En los sistemas biológicos, la degeneración se produce cuando componentes o vías estructuralmente diferentes pueden realizar funciones similares (es decir, son efectivamente intercambiables) en determinadas condiciones, pero realizan funciones distintas en otras condiciones. [1] [2] La degeneración es, por tanto, una propiedad relacional que requiere comparar el comportamiento de dos o más componentes. En particular, si la degeneración está presente en un par de componentes, entonces existirán condiciones en las que el par parecerá funcionalmente redundante, pero otras condiciones en las que parecerán funcionalmente distintos. [1] [3]
La degeneración contribuye a la robustez de los rasgos biológicos a través de varios mecanismos. Los componentes degenerados se compensan entre sí en condiciones en las que son funcionalmente redundantes, lo que proporciona robustez contra el fallo de un componente o de una vía. Debido a que los componentes degenerados son algo diferentes, tienden a albergar sensibilidades únicas, de modo que es menos probable que un ataque dirigido, como un inhibidor específico, presente un riesgo para todos los componentes a la vez. [3] Hay numerosos ejemplos biológicos en los que la degeneración contribuye a la robustez de esta manera. Por ejemplo, las familias de genes pueden codificar diversas proteínas con muchos roles distintivos, pero a veces estas proteínas pueden compensarse entre sí durante la expresión génica perdida o suprimida , como se ve en los roles de desarrollo de la familia de genes de adhesinas en Saccharomyces . [9] Los nutrientes pueden metabolizarse mediante vías metabólicas distintas que son efectivamente intercambiables para ciertos metabolitos, aunque los efectos totales de cada vía no sean idénticos. [10] [11] En el cáncer , las terapias dirigidas al receptor de EGF se ven frustradas por la coactivación de receptores de tirosina quinasas alternativos (RTK) que tienen una superposición funcional parcial con el receptor de EGF (y por lo tanto están degenerados), pero no son el objetivo del mismo inhibidor específico del receptor de EGF. [12] [13] Se pueden encontrar otros ejemplos de varios niveles de organización biológica en. [1]
Teoría
Relaciones teóricas entre propiedades biológicas que son importantes para la evolución. Para una revisión de la evidencia que respalda estas relaciones, véase. [3]
Varios desarrollos teóricos han señalado vínculos entre la degeneración y mediciones biológicas importantes relacionadas con la robustez, la complejidad y la capacidad de evolución . Entre ellos se incluyen:
Los argumentos teóricos respaldados por simulaciones han propuesto que la degeneración puede conducir a formas distribuidas de robustez en las redes de interacción de proteínas. [14] Esos autores sugieren que es probable que surjan fenómenos similares en otras redes biológicas y que potencialmente también podrían contribuir a la resiliencia de los ecosistemas .
Tononi et al. han encontrado evidencia de que la degeneración es inseparable de la existencia de complejidad jerárquica en poblaciones neuronales . [8] Argumentan que es probable que el vínculo entre degeneración y complejidad sea mucho más general.
Las tres hipótesis anteriores se han integrado en [3] , donde se propone que la degeneración desempeña un papel central en la evolución abierta de la complejidad biológica. En el mismo artículo, se argumentó que la ausencia de degeneración en muchos sistemas complejos diseñados (abióticos) puede ayudar a explicar por qué la robustez parece estar en conflicto con la flexibilidad y la adaptabilidad, como se ve en el software, la ingeniería de sistemas y la vida artificial . [3]
^ abcd Edelman y Gally; Gally, JA (2001). "Degeneración y complejidad en sistemas biológicos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . . 98 (24): 13763–13768. Bibcode :2001PNAS...9813763E. doi : 10.1073/pnas.231499798 . PMC 61115 . PMID 11698650.
^ Mason, Paul H. (2 de enero de 2015). "Degeneración: desmitificando y desestigmatizando un concepto central en biología de sistemas". Complejidad . 20 (3): 12–21. Bibcode :2015Cmplx..20c..12M. doi :10.1002/cplx.21534.
^ abcde Whitacre (2010). "Degeneración: un vínculo entre la capacidad de evolución, la robustez y la complejidad en los sistemas biológicos". Biología teórica y modelado médico . 7 (6): 6. arXiv : 0910.2586 . Bibcode :2009arXiv0910.2586W. doi : 10.1186/1742-4682-7-6 . PMC 2830971 . PMID 20167097.
^ Atamas (2005). "Les affinités electives". Para la ciencia . 46 : 39–43.
^ Wagner (2000). "El papel del tamaño de la población, la pleiotropía y los efectos de la aptitud de las mutaciones en la evolución de funciones génicas superpuestas". Genética . 154 (3): 1389–1401. doi :10.1093/genetics/154.3.1389. PMC 1461000 . PMID 10757778.
^ Kurakin (2009). "Flujo de vida sin escala: sobre la biología, la economía y la física de la célula". Biología teórica y modelado médico . 6 (1): 6. doi : 10.1186/1742-4682-6-6 . PMC 2683819 . PMID 19416527.
^ Newman (1994). "Mecanismos físicos genéricos de la morfogénesis tisular: una base común para el desarrollo y la evolución". Journal of Evolutionary Biology . 7 (4): 480. doi :10.1046/j.1420-9101.1994.7040467.x. S2CID 14216659.
^ ab Tononi; Sporns, O.; Edelman, GM; et al. (1999). "Medidas de degeneración y redundancia en redes biológicas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . . 96 (6): 3257–3262. Bibcode :1999PNAS...96.3257T. doi : 10.1073/pnas.96.6.3257 . PMC 15929 . PMID 10077671.
^ Guo; Styles, CA; Feng, Q.; Fink, GR; et al. (2000). "Una familia de genes de Saccharomyces implicada en el crecimiento invasivo, la adhesión célula-célula y el apareamiento". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . . 97 (22): 12158–12163. Bibcode :2000PNAS...9712158G. doi : 10.1073/pnas.220420397 . PMC 17311 . PMID 11027318.
^ Ma y Zeng; Zeng, AP (2003). "La estructura de conectividad, componente fuerte gigante y centralidad de las redes metabólicas". Bioinformática . 19 (11): 1423–1430. doi : 10.1093/bioinformatics/btg177 . PMID 12874056.
^ Huang; Mukasa, A.; Bonavia, R.; Flynn, RA; Brewer, ZE; Cavenee, WK; Furnari, FB; White, FM; et al. (2007). "El análisis cuantitativo de las redes de señalización celular de EGFRvIII revela una estrategia terapéutica combinatoria para el glioblastoma". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (31): 12867–72. Bibcode :2007PNAS..10412867H. doi : 10.1073/pnas.0705158104 . PMC 1937558 . PMID 17646646.
^ Estomago; Kimmelman, AC; Ying, H; Nabioullin, R; Ponugoti, AH; Wiedemeyer, R; Stegh, AH; Bradner, JE; et al. (2007). "La coactivación de los receptores tirosina quinasas afecta la respuesta de las células tumorales a las terapias dirigidas". Ciencia . 318 (5848): 287–90. Código Bib : 2007 Ciencia... 318.. 287S. doi : 10.1126/ciencia.1142946 . PMID 17872411. S2CID 36607054.
^ Whitacre y Bender; Bender, Axel (2010). "Almacenamiento en red: un mecanismo básico para la robustez distribuida en sistemas adaptativos complejos". Biología teórica y modelado médico . 7 (20): 20. doi : 10.1186/1742-4682-7-20 . PMC 2901314 . PMID 20550663.
^ Whitacre y Bender; Bender, A (2010). "Degeneración: un principio de diseño para lograr robustez y capacidad de evolución". Journal of Theoretical Biology . 263 (1): 143–153. arXiv : 0907.0510 . Bibcode :2010JThBi.263..143W. doi :10.1016/j.jtbi.2009.11.008. PMID 19925810. S2CID 11511132.
Lectura adicional
Dado que existen muchos tipos distintos de sistemas que experimentan variación y selección hereditarias (véase el darwinismo universal ), la degeneración se ha convertido en un tema sumamente interdisciplinario. A continuación se ofrece una breve guía para la aplicación y el estudio de la degeneración en diferentes disciplinas.
Downey G (2012). "Variación cultural en las habilidades de rugby: un informe neuroantropológico preliminar". Anales de práctica antropológica . 36 (1): 26–44. doi :10.1111/j.2153-9588.2012.01091.x.
Atamas S., Bell J. (2009). "Dinámicas autoestructurantes impulsadas por la degeneración en repertorios selectivos". Boletín de biología matemática . 71 (6): 1349–1365. doi :10.1007/s11538-009-9404-z. PMC 3707519 . PMID 19337776.
Maleszka R., Mason PH, Barron AB (2014). "Epigenómica y el concepto de degeneración en sistemas biológicos". Briefings in Functional Genomics . 13 (3): 191–202. doi : 10.1093/bfgp/elt050 . PMC 4031454 . PMID 24335757.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Solé RV, Ferrer-Cancho R., Montoya JM, Valverde S. (2002). "Selección, retoque y emergencia en redes complejas" (PDF) . Complexity . 8 (1): 20–33. Bibcode :2002Cmplx...8a..20S. doi :10.1002/cplx.10055. hdl :2117/176298.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Whitacre JM, Bender A. (2010). "Almacenamiento en red: un mecanismo básico para la robustez distribuida en sistemas adaptativos complejos". Biología teórica y modelado médico . 7 (20): 20. arXiv : 0912.1961 . Bibcode :2009arXiv0912.1961W. doi : 10.1186/1742-4682-7-20 . PMC 2901314 . PMID 20550663.
Mason PH (2015). "Degeneración: desmitificando y desestigmatizando un concepto central en biología de sistemas". Complejidad . 20 (3): 12–21. Bibcode :2015Cmplx..20c..12M. doi :10.1002/cplx.21534.
Mason PH, Domínguez DJF, Winter B., Grignolio A. (2015). "Oculto a simple vista: degeneración en sistemas complejos". BioSystems . 128 : 1–8. doi :10.1016/j.biosystems.2014.12.003. PMID 25543071.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Edelman GM, Gally JA (2001). "Degeneración y complejidad en sistemas biológicos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . . 98 (24): 13763–13768. Bibcode :2001PNAS...9813763E. doi : 10.1073/pnas.231499798 . PMC 61115 . PMID 11698650.
Whitacre JM (2010). "Degeneración: un vínculo entre la capacidad de evolución, la robustez y la complejidad en los sistemas biológicos". Biología teórica y modelado médico . 7 (6): 6. arXiv : 0910.2586 . Bibcode :2009arXiv0910.2586W. doi : 10.1186/1742-4682-7-6 . PMC 2830971 . PMID 20167097.
Whitacre JM, Bender A. (2010). "Degeneración: un principio de diseño para lograr robustez y capacidad de evolución". Journal of Theoretical Biology . 263 (1): 143–53. arXiv : 0907.0510 . Bibcode :2010JThBi.263..143W. doi :10.1016/j.jtbi.2009.11.008. PMID 19925810. S2CID 11511132.
Whitacre JM, Atamas SP (2011). "La paradoja de la diversidad: cómo la naturaleza resuelve un dilema evolutivo". arXiv : 1112.3115 . Código Bibliográfico :2011arXiv1112.3115W. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
Cohn M (2005). "Degeneración, mimetismo y reactividad cruzada en el reconocimiento inmunológico". Inmunología molecular . 42 (5): 651–655. doi :10.1016/j.molimm.2004.09.010. PMID 15607824.
Cohen, IR, U. Hershberg y S. Solomon, 2004 Degeneración del receptor de antígeno y paradigmas inmunológicos. Inmunología molecular, . 40(14–15) págs. 993–996.
Tieri, P., GC Castellani, D. Remondini, S. Valensin, J. Loroni, S. Salvioli y C. Franceschi, Capturando la degeneración del sistema inmunológico. Inmunología in silico. Saltador, 2007.
Tieri P., Grignolio A., Zaikin A., Mishto M., Remondini D., Castellani GC, Franceschi C. (2010). "Red, degeneración y pajarita. Integración de paradigmas y arquitecturas para comprender la complejidad del sistema inmunológico". Theor Biol Med Model . 7 : 32. doi : 10.1186/1742-4682-7-32 . PMC 2927512 . PMID 20701759.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Andrews, PS y J. Timmis, Un modelo computacional de degeneración en un ganglio linfático. Lecture Notes in Computer Science, 2006. 4163: pág. 164.
Mendao, M., J. Timmis, PS Andrews y M. Davies. El sistema inmunológico en pedazos: lecciones computacionales de la degeneración del sistema inmunológico. en Fundamentos de la inteligencia computacional (FOCI). 2007.
Whitacre, JM y A. Bender. La neutralidad degenerada crea paisajes de aptitud evolutivos. en WorldComp-2009. 2009. Las Vegas, Nevada, EE. UU.
Whitacre, JM, P. Rohlfshagen, X. Yao y A. Bender. El papel de la robustez degenerada en la capacidad de evolución de sistemas multiagente en entornos dinámicos. en PPSN XI. 2010. Cracovia, Polonia.
Macia J., Solé R. (2009). "Robustez distribuida en redes celulares: perspectivas a partir de circuitos sintéticos evolucionados". Journal of the Royal Society Interface . 6 (33): 393–400. doi :10.1098/rsif.2008.0236. PMC 2658657 . PMID 18796402.
Fernández-León, JA (2011). Evolución de las dependencias cognitivo-conductuales en agentes situados para la robustez conductual. BioSystems 106, págs. 94-110. [1]
Fernandez-Leon, JA (2011). Robustez conductual: un vínculo entre mecanismos distribuidos y dinámica transitoria acoplada. BioSystems 105, Elsevier, págs. 49–61. [2]
Fernández-León, JA (2010). Evolución de la conducta robusta dependiente de la experiencia en agentes corpóreos. BioSystems 103:1, Elsevier, págs. 45–56. [3]
Price, C. y K. Friston, Degeneración y anatomía cognitiva. Tendencias en ciencias cognitivas, 2002. 6(10) pp. 416–421.
Tononi, G., O. Sporns y GM Edelman, Medidas de degeneración y redundancia en redes biológicas. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE.UU., 1999. 96(6) pp. 3257–3262.
Mason, PH (2014) ¿Qué es normal? Un estudio histórico y una perspectiva neuroantropológica, en Jens Clausen y Neil Levy. (Eds.) Handbook of Neuroethics, Springer, págs. 343–363.
Winter B (2014). "El lenguaje hablado logra robustez y capacidad de evolución explotando la degeneración y la neutralidad". BioEssays . 36 (10): 960–967. doi :10.1002/bies.201400028. PMID 25088374. S2CID 27876941.
Tian, T., S. Olson, JM Whitacre y A. Harding, Los orígenes de la robustez y la capacidad evolutiva del cáncer. Integrative Biology, 2011. 3: págs. 17–30.
Lehky, S., Sistemas de evaluación y selección por pares: adaptación y mala adaptación de individuos y grupos a través de la revisión por pares. 2011: BioBitField Press.
^ Fernandez-Leon, JA (2011). "Evolución de las dependencias cognitivo-conductuales en agentes situados para la robustez conductual". BioSystems . 106 (2–3): 94–110. doi :10.1016/j.biosystems.2011.07.003. PMID 21840371.
^ Fernandez-Leon, JA (2011). "Robustez conductual: un vínculo entre mecanismos distribuidos y dinámica transitoria acoplada". BioSystems . 105 (1): 49–61. doi :10.1016/j.biosystems.2011.03.006. PMID 21466836.
^ Fernandez-Leon, JA (2010). "Evolución de la conducta robusta dependiente de la experiencia en agentes corpóreos". BioSystems . 103 (1): 45–56. doi :10.1016/j.biosystems.2010.09.010. PMID 20932875.
