Dentro de los sistemas biológicos, la degeneración ocurre cuando componentes/vías estructuralmente diferentes pueden realizar funciones similares (es decir, son efectivamente intercambiables) bajo ciertas 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 hay degeneración en un par de componentes, entonces existirán condiciones en las que el par parecerá funcionalmente redundante, pero otras condiciones en las que aparecerán funcionalmente distintos. [1] [3]
Tenga en cuenta que este uso del término prácticamente no tiene relevancia para el concepto cuestionablemente significativo de poblaciones evolutivamente degeneradas que han perdido funciones ancestrales . [ cita necesaria ]
Ejemplos biológicos
Se encuentran ejemplos de degeneración en el código genético , cuando muchas secuencias de nucleótidos diferentes codifican el mismo polipéptido ; en el plegamiento de proteínas , cuando diferentes polipéptidos se pliegan para ser estructural y funcionalmente equivalentes; en funciones proteicas , cuando se observan funciones de unión superpuestas y especificidades catalíticas similares; en el metabolismo , cuando pueden coexistir múltiples vías biosintéticas y catabólicas paralelas. De manera más general, la degeneración se observa en proteínas de cada clase funcional (por ejemplo, enzimática , estructural o reguladora), [4] [5] conjuntos de complejos proteicos , [6] ontogénesis , [7] el sistema nervioso , [8] señalización celular ( diafonía) y muchos otros contextos biológicos revisados en. [1]
Contribución a la robustez
La degeneración contribuye a la solidez de los rasgos biológicos a través de varios mecanismos. Los componentes degenerados se compensan entre sí en condiciones en las que son funcionalmente redundantes, proporcionando así robustez contra fallos de componentes o vías. Debido a que los componentes degenerados son algo diferentes, tienden a albergar sensibilidades únicas, por lo que es menos probable que un ataque dirigido, como un inhibidor específico, presente un riesgo para todos los componentes a la vez. [3] Existen 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 muchas funciones distintivas, pero a veces estas proteínas pueden compensarse entre sí durante la expresión genética perdida o suprimida , como se ve en las funciones de desarrollo de la familia de genes de adhesinas en Saccharomyces . [9] Los nutrientes pueden metabolizarse mediante distintas vías metabólicas que son efectivamente intercambiables para ciertos metabolitos, aunque los efectos totales de cada vía no son idénticos. [10] [11] En el cáncer , las terapias dirigidas al receptor de EGF se ven frustradas por la coactivación de receptores tirosina quinasas alternativos (RTK) que tienen una superposición funcional parcial con el receptor de EGF (y, por lo tanto, están degenerados), pero que no están dirigidos por el 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, consulte. [3]
Varios desarrollos teóricos han delineado vínculos entre la degeneración y medidas biológicas importantes relacionadas con la robustez, la complejidad y la capacidad de evolución . Éstas 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 puedan 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 las poblaciones neuronales . [8] Sostienen que es probable que el vínculo entre degeneración y complejidad sea mucho más general.
Simulaciones bastante abstractas han apoyado la hipótesis de que la degeneración altera fundamentalmente la propensión de un sistema genético a acceder a nuevos fenotipos hereditarios [15] y que, por lo tanto, la degeneración podría ser una condición previa para una evolución abierta .
Las tres hipótesis anteriores se han integrado en [3] donde proponen que la degeneración juega un papel central en la evolución abierta de la complejidad biológica. En el mismo artículo, se argumentó que la ausencia de degeneración dentro de muchos sistemas complejos (abióticos) diseñados 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 los sistemas biológicos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . 98 (24): 13763–13768. Código bibliográfico : 2001PNAS...9813763E. doi : 10.1073/pnas.231499798 . PMC 61115 . PMID 11698650.
^ Mason, Paul H. (2 de enero de 2015). "Degeneración: desmitificar y desestigmatizar un concepto central en biología de sistemas". Complejidad . 20 (3): 12-21. Código Bib : 2015Cmplx..20c..12M. doi :10.1002/cplx.21534.
^ abcde Whitacre (2010). "Degeneración: un vínculo entre evolucionabilidad, robustez y complejidad en los sistemas biológicos". Biología Teórica y Modelización Médica . 7 (6): 6. arXiv : 0910.2586 . Código Bib : 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 genéticas superpuestas". Genética . 154 (3): 1389-1401. doi :10.1093/genética/154.3.1389. PMC 1461000 . PMID 10757778.
^ Kurakin (2009). "Flujo de la vida sin escalas: sobre la biología, la economía y la física de la célula". Biología Teórica y Modelización Médica . 6 (1): 6. doi : 10.1186/1742-4682-6-6 . PMC 2683819 . PMID 19416527.
^ Nuevo hombre (1994). "Mecanismos físicos genéricos de la morfogénesis tisular: una base común para el desarrollo y la evolución". Revista de biología evolutiva . 7 (4): 480. doi :10.1046/j.1420-9101.1994.7040467.x. S2CID 14216659.
^ ab Tononi; Porns, O.; Edelman, gerente general; et al. (1999). "Medidas de degeneración y redundancia en redes biológicas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . 96 (6): 3257–3262. Código bibliográfico : 1999PNAS...96.3257T. doi : 10.1073/pnas.96.6.3257 . PMC 15929 . PMID 10077671.
^ Guo; Estilos, California; Feng, Q.; Fink, GR; et al. (2000). "Una familia de genes de Saccharomyces implicada en el crecimiento invasivo, la adhesión entre células y el apareamiento". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . 97 (22): 12158–12163. Código bibliográfico : 2000PNAS...9712158G. doi : 10.1073/pnas.220420397 . PMC 17311 . PMID 11027318.
^ Mamá 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/bioinformática/btg177 . PMID 12874056.
^ Huang; Mukasa, A.; Bonavia, R.; Flynn, RA; Cervecero, ZE; Cavenee, WK; Furnari, FB; Blanco, FM; et al. (2007). "El análisis cuantitativo de las redes de señalización celular EGFRvIII revela una estrategia terapéutica combinatoria para el glioblastoma". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (31): 12867–72. Código bibliográfico : 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 doblador; Bender, Axel (2010). "Búfer en red: un mecanismo básico para la robustez distribuida en sistemas adaptativos complejos". Biología Teórica y Modelización Médica . 7 (20): 20. doi : 10.1186/1742-4682-7-20 . PMC 2901314 . PMID 20550663.
^ Whitacre y doblador; Bender, A (2010). "Degeneración: un principio de diseño para lograr robustez y capacidad de evolución". Revista de Biología Teórica . 263 (1): 143-153. arXiv : 0907.0510 . Código Bib : 2010JThBi.263..143W. doi :10.1016/j.jtbi.2009.11.008. PMID 19925810. S2CID 11511132.
Otras lecturas
Debido a que hay muchos tipos distintos de sistemas que sufren variación y selección hereditaria (ver Darwinismo universal ), la degeneración se ha convertido en un tema altamente interdisciplinario. A continuación se proporciona una breve hoja de ruta para la aplicación y el estudio de la degeneración dentro de diferentes disciplinas.
Downey G (2012). "Variación cultural en las habilidades del rugby: un informe neuroantropológico preliminar". Anales de la práctica antropológica . 36 (1): 26–44. doi :10.1111/j.2153-9588.2012.01091.x.
Atamas S., Bell J. (2009). "Dinámicas de autoestructuración 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". Sesiones informativas en genómica funcional . 13 (3): 191–202. doi : 10.1093/bfgp/elt050 . PMC 4031454 . PMID 24335757.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Solé RV, Ferrer-Cancho R., Montoya JM, Valverde S. (2002). "Selección, retoques y aparición en redes complejas" (PDF) . Complejidad . 8 (1): 20–33. Código Bib : 2002Cmplx...8a..20S. doi :10.1002/cplx.10055.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Whitacre JM, Bender A. (2010). "Búfer en red: un mecanismo básico para la robustez distribuida en sistemas adaptativos complejos". Biología Teórica y Modelización Médica . 7 (20): 20. arXiv : 0912.1961 . Código Bib : 2009arXiv0912.1961W. doi : 10.1186/1742-4682-7-20 . PMC 2901314 . PMID 20550663.
Mason PH (2015). "Degeneración: desmitificar y desestigmatizar un concepto central en biología de sistemas". Complejidad . 20 (3): 12-21. Código Bib : 2015Cmplx..20c..12M. doi :10.1002/cplx.21534.
Mason PH, Domínguez DJF, Winter B., Grignolio A. (2015). "Oculto a plena vista: degeneración en sistemas complejos". BioSistemas . 128 : 1–8. doi :10.1016/j.biosystems.2014.12.003. PMID 25543071.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Edelman GM, Gally JA (2001). "Degeneración y complejidad en los sistemas biológicos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU . 98 (24): 13763–13768. Código bibliográfico : 2001PNAS...9813763E. doi : 10.1073/pnas.231499798 . PMC 61115 . PMID 11698650.
Whitacre JM (2010). "Degeneración: un vínculo entre evolucionabilidad, robustez y complejidad en los sistemas biológicos". Biología Teórica y Modelización Médica . 7 (6): 6. arXiv : 0910.2586 . Código Bib : 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". Revista de Biología Teórica . 263 (1): 143–53. arXiv : 0907.0510 . Código Bib : 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 Bib : 2011arXiv1112.3115W. {{cite journal}}: Citar diario requiere |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. Integrando paradigmas y arquitecturas para captar la complejidad del sistema inmunológico". Modelo Theor Biol Med . 7 : 32. doi : 10.1186/1742-4682-7-32 . PMC 2927512 . PMID 20701759.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Andrews, PS y J. Timmis, Un modelo computacional de degeneración en un ganglio linfático. Apuntes de conferencias sobre informática, 2006. 4163: p. 164.
Mendao, M., J. Timmis, PS Andrews y M. Davies. El sistema inmunológico en pedazos: lecciones computacionales de la degeneración en el sistema inmunológico. en Fundamentos de la Inteligencia Computacional (FOCI). 2007.
Whitacre, JM y A. Bender. La neutralidad degenerada crea paisajes de fitness evolutivos. en WorldComp-2009. 2009. Las Vegas, Nevada, Estados Unidos.
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.
Maciá J., Solé R. (2009). "Robustez distribuida en redes celulares: conocimientos de circuitos evolucionados sintéticos". Revista de la interfaz de la Royal Society . 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 solidez del comportamiento. BioSystems 106, págs. 94-110. [1]
Fernández-León, JA (2011). Robustez del comportamiento: un vínculo entre mecanismos distribuidos y dinámica transitoria acoplada. BioSystems 105, Elsevier, págs. 49–61. [2]
Fernández-León, JA (2010). Evolución de un comportamiento robusto dependiente de la experiencia en agentes encarnados. BioSystems 103:1, Elsevier, págs. 45–56. [3]
Price, C. y K. Friston, Degeneración y anatomía cognitiva. Tendencias en ciencias cognitivas, 2002. 6 (10) págs. 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) págs. 3257–3262.
Mason, PH (2014) ¿Qué es normal? Un estudio histórico y una perspectiva neuroantropológica, en Jens Clausen y Neil Levy. (Eds.) Manual de neuroética, Springer, págs. 343–363.
Invierno B (2014). "El lenguaje hablado logra solidez y capacidad de evolución explotando la degeneración y la neutralidad". Bioensayos . 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 de evolución del cáncer. Biología Integrativa, 2011. 3: págs. 17–30.
Lehky, S., Sistemas de selección y evaluación por pares: adaptación y mala adaptación de individuos y grupos mediante revisión por pares. 2011: Prensa BioBitField.
^ Fernández-León, JA (2011). "Evolución de las dependencias cognitivo-conductuales en agentes situados para la solidez del comportamiento". BioSistemas . 106 (2–3): 94–110. doi :10.1016/j.biosystems.2011.07.003. PMID 21840371.
^ Fernández-León, JA (2011). "Robustez del comportamiento: un vínculo entre mecanismos distribuidos y dinámica transitoria acoplada". BioSistemas . 105 (1): 49–61. doi :10.1016/j.biosystems.2011.03.006. PMID 21466836.
^ Fernández-León, JA (2010). "Evolución del comportamiento robusto dependiente de la experiencia en agentes encarnados". BioSistemas . 103 (1): 45–56. doi :10.1016/j.biosystems.2010.09.010. PMID 20932875.
