112
UMR168, Institut Curie, Section Recherche Dynamique de l’ARN et Systèmes Biomoléculaires Hervé ISAMBERT Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

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Page 1: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

UMR168, Institut Curie, Section RechercheDynamique de l’ARN et Systèmes Biomoléculaires

Hervé ISAMBERT

Les Réseaux Biologiqueset leur Evolution

Page 2: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Dynamique de l’ARN et Systèmes Biomoléculaires

Duplicationof genes

Deletionof Links

Iteration

4

2 1

4’4

3

2’ 21

3

Evolution des réseaux biologiques

5’ 3’

A

GCAGG

AGGACG

A

A

GCAUCCUCCUACG

AAGGUAGGGGGAUGG

AAA

AC C

GUCC

CCCUGC

C

A

AG

C

AGGAGGA

CG

AAGCA

UCCUCCU

ACGA

AGGUAGGGGGAUGG

AAA

ACCGUCCCCCUGCC

A

5’ 3’

cis / transcontrol

Autoassemblage ARNCommutateurs ARN

100 nm

I. Switches et Réseaux ARN

II. Réseaux Biologiques

Hervé ISAMBERT, UMR168, Institut Curie

Page 3: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

PPI Networks: Evlampiev & Isambert, BMC Systems Biology 1:49 (2007)

Hervé Isambert CNRS UMR168, Institut CurieRNA dynamics and Biomolecular Systems Lab

Tree of Life(from tolweb site)

Marco Cosentino Lagomarsino

Kirill Evlampiev

Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert,

Evlampiev & Isambert, arxiv.org/abs/q−bio.MN/0611070

Transcription Networks:

Evolution and Topology of Large Biological Networks

PNAS, 104, 5516−5520 (2007)

Page 4: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

I. Intro: Des Génomes aux Réseaux

III. Propriétés des Réseaux Biologiques

II. Différents Types de Réseaux Biologiques

IV.Evolution des Réseaux: des Gènes aux Organismes

V. Modèles d’Evolution des Réseaux

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hervé ISAMBERT, Institut Curie

Page 5: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hervé ISAMBERT, Institut Curie

III. Propriétés des Réseaux Biologiques

II. Différents Types de Réseaux Biologiques

IV.Evolution des Réseaux: des Gènes aux Organismes

V. Modèles d’Evolution des Réseaux

I. Intro: Des Génomes aux Réseaux

Page 6: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

within some species familiesEven multimodal distribution

5 decades (8 including viruses)

Genome size distributionwhat was known before sequencing

Sparrow 1976

Page 7: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Genome Sequencing Statistics

NCBI, 21 Jan 2008

Page 8: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Human 20,000−25,000

Arabidopsis 29,000

Gallus 20,000−23,000

Paramecium 39,000

Wheat 75,000 ?(allohexaploid)

6,000

19,000

13,000

Ten Years of Genome Sequencing:

Tetraodon 22,000

1 cell

100,000 cells

1,000 cells

Evolution through Duplication−Divergence of Genes and Genomes

few genes... same genes...

Page 9: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Biological Networks

Page 10: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

protein1 protein2

interaction

Combinatorial Gene Expression

Detailed interaction logic (AND/OR/NOT)

Combinatorics

Network−like schematic representations :

without logic !!

Page 11: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hervé ISAMBERT, Institut Curie

III. Propriétés des Réseaux Biologiques

IV.Evolution des Réseaux: des Gènes aux Organismes

V. Modèles d’Evolution des Réseaux

I. Intro: Des Génomes aux Réseaux

II. Différents Types de Réseaux Biologiques

Page 12: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Biological Networks

Page 13: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hervé ISAMBERT, Institut Curie

I. Intro: Des Génomes aux Réseaux

II. Différents Types de Réseaux Biologiques

IV.Evolution des Réseaux: des Gènes aux Organismes

V. Modèles d’Evolution des Réseaux

III. Propriétés des Réseaux Biologiques

Page 14: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Topology of Biological Networks

Page 15: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Yeast Protein−Protein Interaction Network

Page 16: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Yeast Protein−Protein Interaction Network

Page 17: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Yeast Protein−Protein Interaction Network

Page 18: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Exponential versus Scale−free Network Topology

Page 19: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Modularity of Protein Interaction Networks

Page 20: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10 100

0,001

0,01

0,1

1

pk,in

pk,out

IN and OUT Degree distributions

B Feed Forward Loop

Bi−FanC

A Autoregulatory Loop

�� ����

���� ����

�� ��

��

����

"Over−represented" Motifs

Shen−Orr (2002) andRegulonDB (2005)

Structures of Regulatory Networks

Page 21: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Coherent and Incoherent Feedforward Loops

Speed up genetic response

Mangan et al, JMB 2006

BUT... such motifs are NOT conserved!

Page 22: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Propriétes Dynamiques des Modules de transcription

Page 23: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Low

High

Repressor

Repressor

Low

High

Activator

Activator

Demand Rule in Gene Regulation

Savageau PNAS (1977)

Page 24: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Demand Rule in Gene Regulation

Savageau PNAS (1977)

HighRepressor

ActivatorRepressor Low

Activator

Low

High

Page 25: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Very Preliminary Conclusion

Biological Networks are NOT Random Graphs !

but is it for FUNCTIONAL reason ??

or is it because they CANNOT be randomby CONSTRUCTION ??

Page 26: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

but is it for FUNCTIONAL reason ??

or is it because they CANNOT be randomby CONSTRUCTION ??

Then what sense does it make to compare them to randomized graphs ??

Very Preliminary Conclusion

Biological Networks are NOT Random Graphs !

Page 27: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

... except in the light of evolution""Nothing in biology makes sense...

but is it for FUNCTIONAL reason ??

or is it because they CANNOT be randomby CONSTRUCTION ??

Then what sense does it make to compare them to randomized graphs ??

Very Preliminary Conclusion

Theodosius Dobzhansky (1973)

Biological Networks are NOT Random Graphs !

Page 28: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hervé ISAMBERT, Institut Curie

I. Intro: Des Génomes aux Réseaux

III. Propriétés des Réseaux Biologiques

II. Différents Types de Réseaux Biologiques

V. Modèles d’Evolution des Réseaux

IV.Evolution des Réseaux: des Gènes aux Organismes

Page 29: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

The Ribosome

Page 30: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

The Ribosome

Page 31: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

34 Euk − Arc only Homologous Ribosomal Proteins 33 Euk − Arc − Bac Universal Ribosomal Proteins

The Ribosome

Page 32: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Ribosomal Protein S8 in Archaea and Bacteria

Page 33: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Universal RibosomalProteins bwn Eukaryotes,

Archaea and Bacteria

Page 34: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Remaining HomologousProteins bwn Eukaryotesand Archaea

Page 35: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Homologies between RNA Polymerases

ArchaeaBacteria

Eukaryote (RNAPol I, II & III)

Page 36: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

TATA Box Asymmetry and RNAPol II and III Direction

But... TATA Binding Protein (TBP)is essentially symmetric

Page 37: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

TBP / BRF (Pol III) EukaryoteTBP / TFIIB (Pol II) Eukaryote

TBP / TFB Archaea

Transcription Direction given by TFIIB (TFB) and BRF

Page 38: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

BidirectionalTranscription inGiardia lamblia

Teodorovic et al NAR 2007

BRF but no TFIIB ??

Page 39: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Independent Aquatic Placental Mammals

Hippopotame

Tapir / Rhinoceros

Seals

Page 40: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Mechanisms of Genome Evolution

Long suspected... recently proved!

shuffling of protein domains

Page 41: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Implies important genetic modifications!!

Mechanisms of Genome Evolution

shuffling of protein domains

Page 42: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Kellis et al. 2004Whole Genome Duplication in Yeast Genome

Page 43: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Kellis et al. 2004Whole Genome Duplication in Yeast Genome

Page 44: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

−20−30

arch

eaba

cter

ia>1

0,00

0,00

0 ??

∗−2,500 / 4,000 ??

choa

nofla

gella

tes

bird

s 1

0,00

0

rept

iles

8,0

00di

nosa

urs

dino

saur

s,

m

amm

als

5,5

00x 2x 2

jelly

fish,

mol

lusc

a, s

pide

rs,

crab

s,in

sect

s, 9

00,0

00

flow

erin

g27

5,00

0

x 2

x 2

S. cerevisiaeK. lactis

−150

−250

−300

−350

−450

−500

viru

ses

eukaryotes

−1,000

Paramecium

x 2

othe

rs (

prot

ists

) 30

,000

MYA

x 2

x 2

A. thalianaP. trichocarpa

tuni

cate

s 5

00

bony fish 24,000

x 2

Ciona

x 2

Carp

X. laevis

H. sapiens

x 2

vertebrates 52,000

amph

ibia

6,

000

tetrapods 28,000

chordates

x 2

N. viridulusNadis B. napus

x 2

othe

r 5

5,00

0x 2

x 2

plan

ts

330

,000

x 2

animals 1,200,000

TetraodonX. tropicalisT. barreraefu

ngi

100

,000

x 2

Whole Genome Duplications promote:

Whole Genome Duplications in Evolution

−Speciation events−Shuffling of protein domains

Page 45: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

−20−30

arch

eaba

cter

ia>1

0,00

0,00

0 ??

∗−2,500 / 4,000 ??

choa

nofla

gella

tes

bird

s 1

0,00

0

rept

iles

8,0

00di

nosa

urs

dino

saur

s,

m

amm

als

5,5

00x 2x 2

jelly

fish,

mol

lusc

a, s

pide

rs,

crab

s,in

sect

s, 9

00,0

00

flow

erin

g27

5,00

0

x 2

x 2

S. cerevisiaeK. lactis

−150

−250

−300

−350

−450

−500

viru

ses

eukaryotes

−1,000

Paramecium

x 2

othe

rs (

prot

ists

) 30

,000

MYA

x 2

x 2

A. thalianaP. trichocarpa

tuni

cate

s 5

00

bony fish 24,000

x 2

Ciona

x 2

Carp

X. laevis

H. sapiens

x 2

vertebrates 52,000

amph

ibia

6,

000

tetrapods 28,000

chordates

x 2

N. viridulusNadis B. napus

x 2

othe

r 5

5,00

0x 2

x 2

plan

ts

330

,000

x 2

animals 1,200,000

TetraodonX. tropicalisT. barreraefu

ngi

100

,000

x 2

Whole Genome Duplications promote:

Whole Genome Duplications in Evolution

−Speciation events−Shuffling of protein domains

Page 46: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Evolution by Duplication Divergence

Page 47: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Evolution by Duplication Divergence

Page 48: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10

1e-06

1e-04

0.01

1Node degree

Nod

e d

egre

e d

istri

butio

n

Number of shared partners

Nod

e p

air

dist

ribut

ion

with

sha

red

par

tner

s

WGD dupli > 20 x random pairsWGD dupli > 1,000 x random pairs

k=1k=10

Proba to share k+ partners :

WGD duplirandom

random pairs

degree distributions

WGD dupli pairs

Evidence of Genome Duplication on PPI network

500 duplicates from WGD : 250 with both duplicates in available PPI networkYeast 6000 genes : 4000 in PPI network

PPI network

Page 49: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10

1e-06

1e-04

0.01

1Node degree

Nod

e d

egre

e d

istri

butio

n

Number of shared partners

Nod

e p

air

dist

ribut

ion

with

sha

red

par

tner

s

WGD dupli > 20 x random pairsWGD dupli > 1,000 x random pairs

k=1k=10

Proba to share k+ partners :

WGD duplirandom

random pairs

degree distributions

WGD dupli pairs

Evidence of Genome Duplication on PPI network

500 duplicates from WGD : 250 with both duplicates in available PPI networkYeast 6000 genes : 4000 in PPI network

PPI network

NetworkDuplicationunder WGD

Page 50: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10

1e-06

1e-04

0.01

1Node degree

Nod

e d

egre

e d

istri

butio

n

Number of shared partners

Nod

e p

air

dist

ribut

ion

with

sha

red

par

tner

s

WGD dupli > 20 x random pairsWGD dupli > 1,000 x random pairs

k=1k=10

Proba to share k+ partners :

WGD duplirandom

random pairs

degree distributions

WGD dupli pairs

Evidence of Genome Duplication on PPI network

500 duplicates from WGD : 250 with both duplicates in available PPI network

PPI network

Yeast 6000 genes : 4000 in PPI network

Divergence

Page 51: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10

1e-06

1e-04

0.01

1Node degree

Nod

e d

egre

e d

istri

butio

n

Number of shared partners

Nod

e p

air

dist

ribut

ion

with

sha

red

par

tner

s

WGD dupli > 20 x random pairsWGD dupli > 1,000 x random pairs

k=1k=10

Proba to share k+ partners :

WGD duplirandom

random pairs

degree distributions

WGD dupli pairs

Evidence of Genome Duplication on PPI network

500 duplicates from WGD : 250 with both duplicates in available PPI network

PPI network

Yeast 6000 genes : 4000 in PPI network

Divergence

Page 52: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10

1e-06

1e-04

0.01

1Node degree

Nod

e d

egre

e d

istri

butio

n

Number of shared partners

Nod

e p

air

dist

ribut

ion

with

sha

red

par

tner

s

WGD dupli > 20 x random pairsWGD dupli > 1,000 x random pairs

k=1k=10

Proba to share k+ partners :

WGD duplirandom

random pairs

degree distributions

WGD dupli pairs

Evidence of Genome Duplication on PPI network

500 duplicates from WGD : 250 with both duplicates in available PPI network

PPI network

Yeast 6000 genes : 4000 in PPI network

"Rewiring"

Page 53: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10

1e-06

1e-04

0.01

1Node degree

Nod

e d

egre

e d

istri

butio

n

Number of shared partners

Nod

e p

air

dist

ribut

ion

with

sha

red

par

tner

s

WGD dupli > 20 x random pairsWGD dupli > 1,000 x random pairs

k=1k=10

Proba to share k+ partners :

WGD duplirandom

random pairs

degree distributions

WGD dupli pairs

Evidence of Genome Duplication on PPI network

500 duplicates from WGD : 250 with both duplicates in available PPI network

PPI network

Yeast 6000 genes : 4000 in PPI network

SharedPartners

Page 54: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hervé ISAMBERT, Institut Curie

I. Intro: Des Génomes aux Réseaux

III. Propriétés des Réseaux Biologiques

II. Différents Types de Réseaux Biologiques

IV.Evolution des Réseaux: des Gènes aux Organismes

V. Modèles d’Evolution des Réseaux

Page 55: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

time−lineargrowth

Evolution of PPI Networks

Evlampiev, Isambert q−bio.MN/06011070

growthexponentialEvlampiev, Isambert BMC Syst. Bio. (2007)

Page 56: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

time−lineargrowth

Evolution of PPI Networks

Evlampiev, Isambert q−bio.MN/06011070

growthexponentialEvlampiev, Isambert BMC Syst. Bio. (2007)

Page 57: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

single

Symmetric divergence

new

dupli

Duplication

Partial Genome

interaction

proteins

n=1

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

4’

41 3

2

2’1−q q

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev1

3

2’ 2

4’4

1

4

2

3

Page 58: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

n=1

Duplication

Partial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

1 2 3 4

K. Evlampiev

Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 59: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Duplication

Partial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 60: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Duplication

Partial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 61: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 62: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Overview of the Evolutionary Regimes

Page 63: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Overview of the Evolutionary Regimes

with respect to p(k)

Page 64: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Overview of the Evolutionary Regimes

Page 65: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Overview of the Evolutionary Regimes

Page 66: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Overview of the Evolutionary Regimes

Page 67: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 68: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Γik

iioγ inγΓi

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

o

ns

kq

i

1−q

i=s,o,n

= (1−q) + q( + )isγNode Degree Growth Rate

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

Exponential Dynamics of Genome and PPI Network Evolution

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 69: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Γik

i

Growing NetworkVanishing Network

ioγ inγΓi

sΓ nΓoΓ

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

o

ns

kq

i

1−q

i=s,o,n

Γ <1Γ >1

= (1−q) + q( + )isγ

Γ = (1−q) + q + q1

Node Degree Growth Rate

Network Link Growth Rate

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

Exponential Dynamics of Genome and PPI Network Evolution

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 70: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Γik

i

Growing NetworkVanishing Network

ioγ inγΓi

sΓ nΓoΓ

sΓ oΓ= (1−q) + qMNetwork Conservation Index

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

o

ns

kq

i

1−q

i=s,o,n

<1>1 Conserved Network

Nonconserved Network

MM

Γ <1Γ >1

= (1−q) + q( + )isγ

Γ = (1−q) + q + q

2

1

Node Degree Growth Rate

Network Link Growth Rate

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

Exponential Dynamics of Genome and PPI Network Evolution

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 71: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Γik

i

Growing NetworkVanishing Network

ioγ inγΓi

sΓ nΓoΓ

sΓ oΓ= (1−q) + qMNetwork Conservation Index

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

o

ns

kq

i

1−q

i=s,o,n

<1>1 Conserved Network

Nonconserved Network

MM

Γ <1Γ >1

= (1−q) + q( + )isγ

Γ = (1−q) + q + q

2

1

Node Degree Growth Rate

Network Link Growth Rate

n=1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

Exponential Dynamics of Genome and PPI Network Evolution

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 72: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Deletion

of Links

δ=1−γ

γon

γsn

soγ

γss

γ

γoo

nn

General Duplication−Divergence Model of PPI Network Evolution

Node Degree Growth Rate

Network Conservation Index

GDD Model + Fluctuations

Network Link Growth Rate

Γik

i

Growing NetworkVanishing Network

ioγ inγΓi

sΓ oΓ= (1−q) + qM

sΓ nΓoΓ

oΓ (n)(n)

Duplication

IterationPartial Genome

new

oldsingle

interaction

proteins

Asymmetric divergence

o

ns

kq

i

1−q

i=s,o,n

<1>1 Conserved Network

Nonconserved Network

MM

Γ <1Γ >1

= (1−q) + q( + )isγ

Γ = (1−q) + q + q

R

sΓΠ (n)(n)

n=1M = [(1−q ) + q ]

2

1

1 2 3 4Genome

P−P Interaction Network

4’

41 3

2

2’1−q q

x (1+q)

GDD Model of PPI Network Evolution

K. Evlampiev

Exponential Dynamics of Genome and PPI Network Evolution

[ ]

1

4’4

3

2’ 21

4

2

3

Page 73: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

ΓM < 1 < Γ1 < M <

1011

1

Expanding PPI Networks

Non−Conserved Networks Conserved Networks M

Γ

Γ

1

n oo

s

s

s

o

oo

oo

so

so

o

s s

n

Network Conservation (M) and Expansion ( )Γ

2

0

1

3

4

5

67

89

duplication

Vanishing

M < < 1

Page 74: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

ΓM < 1 < Γ1 < M <

1011

1

Expanding PPI Networks

Non−Conserved Networks Conserved Networks M

Γ

Γ

1

n oo

s

s

s

o

oo

oo

so

so

o

s s

n

Network Conservation (M) and Expansion ( )Γ

2

0

1

3

4

5

67

89

duplication

Vanishing

M < < 1

Page 75: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

ΓM < 1 < Γ1 < M <

1011

1

Expanding PPI Networks

Non−Conserved Networks Conserved Networks M

Γ

Γ

1

n o

s

s

s

o

oo

oo

s

Network Conservation (M) and Expansion ( )Γ

2

0

1

3

4

5

67

89

duplication

Vanishing

M < < 1

Page 76: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

ΓM < 1 < Γ1 < M <

1011

1

Expanding PPI Networks

Non−Conserved Networks Conserved Networks M

Γ

Γ

1

Network Conservation (M) and Expansion ( )Γ

2

0

1

3

4

5

67

89

duplication

Vanishing

M < < 1

Page 77: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

<N >/<N >=(n)(n+1) ∆(n) h( )=α∆ = +q Γ(1−q) +q Γα α α

Γs o n

Asymptotic "Characteristic Equation"Network Node Growth Rate

<1{α}0<

αh( )

p ~ 1/k α+1k

Γ

Γ

i

i

h( )=α +q Γ(1−q) +q Γα α α

Γs o n

α∗>1

<1{α}0<

Asymptotic Topology of PPI Networks

α10

h(1)

Dense

h(1)

Exponential Degree Distribution

h(0)

α∗>1

Scale−free Degree DistributionM’=max( ) > 1

kp ~ exp(− k)M’=max( ) < 1 µ

Convex Characteristic Function

Page 78: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

<N >/<N >=(n)(n+1) ∆(n) h( )=α∆ = +q Γ(1−q) +q Γα α α

Γs o n

Asymptotic "Characteristic Equation"Network Node Growth Rate

<1{α}0<

αh( )

p ~ 1/k α+1k

Γ

Γ

i

i

h( )=α +q Γ(1−q) +q Γα α α

Γs o n

α∗>1

<1{α}0<

oΓiΓ (n)

Conserved Networks are also Scale−freenecessary (M’ > M > 1)

GDD Model + Fluctuations = max( )Πn=1

R R

sΓΠ (n)(n)

n=1

(n)(n)> [(1−q ) + q ] =M’ M

Scale−free

Exponential

[

Asymptotic Topology of PPI Networks

α10

h(1)

Dense

h(1)

Exponential Degree Distribution

h(0)

α∗>1

Scale−free Degree DistributionM’=max( ) > 1

kp ~ exp(− k)M’=max( ) < 1 µ

Convex Characteristic Function

= max( )iΓi=s,o,n

M’Asymptotic Network TopologyM’ >1M’ <1

3

]

Page 79: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

γ ss

soγ

γsn

γoo γon

γnn

of Linkswith proba

Deletion

1−γ1−µ

proteins

k k+1

Duplication−Divergence Models Including Self−links

interaction

µnµs

µonµo

Iteration

Duplication

Partial Genome

Self−links leads to time−linear (not exponential) connectivity expansionk k Γ

Self−links do not affect evolutionary regimes butare essential contributors to certain network motifs

x (1+q)

1 2’ 21 2

3 3

4

4’

41

Page 80: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

While Proteins are typically ConservedNetwork Motifs are NOT Conserved under

(if M>1)

Duplication−Divergence Evolution

Conservation of Network Motifs

M1

γγ

γ

γγ

γ

γγγ 23

Motif conservation index

s/o

s/o

s/o

This is in broad agreement with empirical observations !

Page 81: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Kirill Evlampiev

Page 82: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution
Page 83: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution
Page 84: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

0.01 0.1 10

0.4

0.8

1.2

0.01 0.1 10

0.4

0.8

1.2

0.01 0.1 10

0.4

0.8

1.2

L/<L> or N/<N> L/<L> or N/<N> L/<L> or N/<N>

20% Growth Rate 50% Growth Rate ~80% Growth Rate

Linear regime N ~ L NL regime N < L

Distribution of Network Sizes

Page 85: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 1.5 2 2.5 3-1

-0.5

0

0.5

1

networks

Conservedscale−free

interaction

protein

interactionsproteins

oΓPhase Diagram of Asymptotic Networks

networks

networks

Conservedscale−free

exponential Dense networksNon−conserved

Network growth rate

Div

erge

nce

asy

mm

etry

Stationary Non−stationary

proteinIteration

DuplicationGenome

InteractionDeletion

newγ

γold

γcross

Protein Network Evolution under Duplication

+

234

o−

Γ

Divergenceasymmetry

Networkeffective growth

Γn

Γ n

Γn

Asymmetric Divergence of Duplicates is RequiredWhole Genome Duplication Limit (q=1)

PPI Network Evolution in terms of protein domains

x 2x 4

1

4

2

1

3’3

4’4

22’

Page 86: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 1.5 2 2.5 3-1

-0.5

0

0.5

1

networks

Conservedscale−free

interaction

protein

interactionsproteins

oΓPhase Diagram of Asymptotic Networks

networks

networks

Conservedscale−free

exponential Dense networksNon−conserved

Network growth rate

Div

erge

nce

asy

mm

etry

Stationary Non−stationary

proteinIteration

DuplicationGenome

InteractionDeletion

newγ

γold

γcross

Protein Network Evolution under Duplication

+

234

o−

ΓOrigin of Divergence Asymmetry ?

"Spontaneous Symmetry Breaking" between duplicated binding sites

Divergenceasymmetry

Networkeffective growth

Γn

Γ n

Γn

Asymmetric Divergence of Duplicates is RequiredWhole Genome Duplication Limit (q=1)

PPI Network Evolution in terms of protein domains

New

Old

Protein

x 2x 4

Protein binding partner 1

Protein binding partner 2

Protein binding partner 3

1

4

2

1

3’3

4’4

22’

Page 87: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 1.5 2 2.5 3-1

-0.5

0

0.5

1

networks

Conservedscale−free

interaction

protein

interactionsproteins

oΓPhase Diagram of Asymptotic Networks

networks

networks

Conservedscale−free

exponential Dense networksNon−conserved

Network growth rate

Div

erge

nce

asy

mm

etry

Stationary Non−stationary

proteinIteration

DuplicationGenome

InteractionDeletion

newγ

γold

γcross

Protein Network Evolution under Duplication

+

234

o−

ΓOrigin of Divergence Asymmetry ?

"Spontaneous Symmetry Breaking" between duplicated binding sites

Divergenceasymmetry

Networkeffective growth

Γn

Γ n

Γn

Asymmetric Divergence of Duplicates is RequiredWhole Genome Duplication Limit (q=1)

PPI Network Evolution in terms of protein domains

New

Old

Gene Duplicates

x 2x 4

Protein binding partner 1

Protein binding partner 2

Protein binding partner 3

1

4

2

1

3’3

4’4

22’

Page 88: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 1.5 2 2.5 3-1

-0.5

0

0.5

1

networks

Conservedscale−free

interaction

protein

interactionsproteins

oΓPhase Diagram of Asymptotic Networks

networks

networks

Conservedscale−free

exponential Dense networksNon−conserved

Network growth rate

Div

erge

nce

asy

mm

etry

Stationary Non−stationary

proteinIteration

DuplicationGenome

InteractionDeletion

newγ

γold

γcross

Protein Network Evolution under Duplication

+

234

o−

ΓOrigin of Divergence Asymmetry ?

"Spontaneous Symmetry Breaking" between duplicated binding sites

Divergenceasymmetry

Networkeffective growth

Γn

Γ n

Γn

Old

New

Asymmetric Divergence of Duplicates is RequiredWhole Genome Duplication Limit (q=1)

PPI Network Evolution in terms of protein domains

x 2x 4

Protein binding partner 1

Protein binding partner 2

Protein binding partner 3

1

4

2

1

3’3

4’4

22’

Page 89: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 1.5 2 2.5 3-1

-0.5

0

0.5

1

networks

Conservedscale−free

interaction

protein

interactionsproteins

oΓPhase Diagram of Asymptotic Networks

networks

networks

Conservedscale−free

exponential Dense networksNon−conserved

Network growth rate

Div

erge

nce

asy

mm

etry

Stationary Non−stationary

proteinIteration

DuplicationGenome

InteractionDeletion

newγ

γold

γcross

Protein Network Evolution under Duplication

+

234

o−

ΓOrigin of Divergence Asymmetry ?

"Spontaneous Symmetry Breaking" between duplicated binding sites

PPI Network Evolution in terms of protein domains

Divergenceasymmetry

Networkeffective growth

Γn

Γ n

Γn

Old

New

Asymmetric Divergence of Duplicates is RequiredWhole Genome Duplication Limit (q=1)

x 2x 4

Protein binding partner 1

Protein binding partner 2

Protein binding partner 3

1

4

2

1

3’3

4’4

22’

Page 90: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Genome and PPI Network Evolutionunder Protein Domain Shuffling

Domain−Domain Interaction Network

Direct interaction bwn protein domains

Multidomain proteins (random shuffling)

domain1

domain2

Redefining PPI Networks as Domain Interaction Networks

XOR

XOR

Page 91: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

protein1=domain1

Genome and PPI Network Evolutionunder Protein Domain Shuffling

Domain−Domain Interaction Network

Direct interaction bwn protein domains

Multidomain proteins (random shuffling)

protein2=

domain2A + domain2B

Redefining PPI Networks as Domain Interaction Networks

XOR

XOR

Page 92: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

protein1=domain1

Genome and PPI Network Evolutionunder Protein Domain Shuffling

Domain−Domain Interaction Network

Indirect interaction within complexes

Direct interaction bwn protein domains

Multidomain proteins (random shuffling)

Adding some "combinatorial logic" through multidomain proteins

Redefining PPI Networks as Domain Interaction Networks

protein2=

AND

domain2A + domain2BXOR

XOR

Page 93: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10 1001e-6

1e-4

0.01

1

kpkk 2 k.g

kp

(+/− 2σ)WGD Model

(+/− 2σ)

Yeast direct int. data

Yeast direct int. dataWGD Model

γon γoo=0.1 ( =1 γnn )=0γon

Node Degree

Protein direct connectivity

Average Connectivityof Neighbours k.g

kDistribution

λ=1.5 prot. bind. domains per protein

Comparison with Yeast Direct Interaction Data

Topology of direct interaction network

A two−parameter Whole Genome Duplication Modelwith Random Protein Domain Shuffling λ

Page 94: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10 1001e-6

1e-4

0.01

1

kpkk 2 k.g

kp

(+/− 2σ)WGD Model

(+/− 2σ)

Yeast direct int. data

Yeast direct int. dataWGD Model

γon γoo=0.1 ( =1 γnn )=0γon

Γ = Γ + Γ = 1 + 2 = 20%γono n

PPI Network growth rate

Seasquirt−Human (2WGD): 25%Seasquirt−Fugu (3WGD): 11%

Node Degree

Protein direct connectivity

Average Connectivityof Neighbours k.g

kDistribution

λ=1.5 prot. bind. domains per protein

Comparison with Yeast Direct Interaction Data

Topology of direct interaction network

A two−parameter Whole Genome Duplication Modelwith Random Protein Domain Shuffling λ

Page 95: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10 1001e-6

1e-4

0.01

1

1 10 1001e-6

1e-4

0.01

1

kpkk 2 k.g

kp

kk 2 k.g

kp

(+/− 2σ)WGD Model

(+/− 2σ)

Yeast direct int. data

Yeast direct int. dataWGD Model

(+/− 2σ)WGD Model

γon γoo=0.1 ( =1 γnn )=0γonwith Random Protein Domain Shuffling λ

A two−parameter Whole Genome Duplication Model

Topology of direct interaction network Topology of direct & indirect interaction network

Comparison with Yeast Direct + Indirect Interaction Data

Node Degree

Protein direct connectivity

Average Connectivityof Neighbours

Direct & indirect "matrix" connectivity

k.gk

Distribution

(+/− 2σ)WGD Model

Yeast dir. & indir. int. data

Yeast dir. & indir. int. data

λ=1.5 prot. bind. domains per protein

Page 96: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

1 10 1001e-6

1e-4

0.01

1

1 10 1001e-3

0.01

0.1

1

1 10 1001e-3

0.01

0.1

1

kp

γnn

k.gk

Node Degree Distribution Average Connectivity of Neighbours

Fit of Yeast Data with a one−parameter WGD Model γ(onγ oo=1 )=0=0.26

kp

Protein direct connectivity

kk 2 k.g

Protein direct connectivity

(+/− 2σ)

phys. interaction dataYeast two−hybrid and

WGD Model

Comparison with Yeast Direct Interaction Data

Yeast two−hybrid and

WGD Model (+/− 2σ)

phys. interaction data

Page 97: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Hierarchy and Feedback in the Evolution

of Bacterial Transcription Networks

Cosentino−Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert,PNAS, 104, 5516 (2007) arxiv.org/abs/q.bio/0701035

Page 98: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Transcription in Bacteria

Regulatory Interactions

?

Page 99: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Operons : 648TFs : 147ARs : 85 (58% TFs)Reg Int : 1170

Operons : 423TFs : 117ARs : 59 (50% TFs)Reg Int : 578

Shen−Orr Dataset (2002)

RegulonDB 5.5 (2006)

0 10 20 30 40 50 6000.010.020.030.040.050.06 Randomized

E.colifnr

arcA thrS_infC_rpmI_rplT_pheMST_ihfA

gadAX

gadW

dusB_fis

hns marRAB

idnDOTR

gntRKU

rob

Hierarchy with Mostly Self−Regulatory Feedback

No Feedback Core

Feedback Core SizesSmall Feedback Core

Page 100: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

0 5 10 15 20 25 300

0.05

0.1

0.15

0.2

E. coli

RandomizedE.coli

0 5 10 15 20 25 300

0.05

0.1

0.15

0.2

E. coli

RandomizedE.coli

0 10 20 30 400

0.05

0.1

0.15

0.2RandomizedE.coli

0 5 10 15 20 250

0.05

0.1

0.15

0.2 RandomizedE.coli

RegulonDB 5.5 (2006)

0 10 20 30 400

0.05

0.1

0.15 RandomizedSubtilis

0 10 20 30 400

0.05

0.1

RandomizedSubtilis

Escherichia coliShen Orr et al (2002)

Num

ber

of L

ayer

sou

tsid

e c

ore

Long

est S

horte

st P

aths

Hierarchy with few Transcriptional Layers

Bacillus subtilis

Page 101: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Transcription Factor Families

Babu et al., NAR 2006

Page 102: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Babu et al., NAR 2006

TF Family Expansion by Duplication

Page 103: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution
Page 104: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

A’a’pAap A’ap

Aa’p

Evolutionary Decoupling of Duplicated ARs

AR Duplication

Crosstalks+

Page 105: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Crosstalks+

A’a’pAap A’ap

Aa’p

Evolutionary Decoupling of Duplicated ARs

AR Duplication

Page 106: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Crosstalks+

rpoE_rseABC rpoH

crp cytR dnaA

lysR

lysA

tdcABCDEFG

crp fnr himA tdcAR

rpoE_rseABC (rpsU_dnaG_)rpoD

lexA_dinF

cspA

caiF flhDC fliAZY nhaA osmC rcsAB

stpA

lrp

hns

exuR

exuT uxaCA

uxuABR

uidRABC

A’a’pAap A’ap

Aa’p

A few partial decoupling

Evolutionary Decoupling of Duplicated ARs

AR Duplication

Page 107: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Crosstalks+

crp fnrC

GAT

C

GAT

GCTA

GCAT

CGAT

CGAT

CAGT

CTAG

GCAT

GCAT

CGAT

G

C

AT

C

G

TA

GCTA

GCAT

GATC

GTCA

TGCA

CGTA

CGAT

GCAT

-1 -0.5 0 0.5 1specificity

00.5

11.5

22.5

33.5

norm

aliz

ed h

its

autoregulatory sites

CRP

-1 -0.5 0 0.5 1specificity

0

1

2

3

4

norm

aliz

ed h

its

autoregulatory sites

FNR

CGTA

CGTA

CGAT

CGAT

CAGT

CAGT

ACGT

CTAG

GCTA

C

GAT

C

T

A

T

CTGA

A

CGAT

AGCT

GTAC

GTCA

GTAC

GCTA

GCAT

GCAT

rpoE_rseABC rpoH

crp cytR dnaA

lysR

lysA

tdcABCDEFG

crp fnr himA tdcAR

rpoE_rseABC (rpsU_dnaG_)rpoD

lexA_dinF

cspA

caiF flhDC fliAZY nhaA osmC rcsAB

stpA

lrp

hns

exuR

exuT uxaCA

uxuABR

uidRABC

A’a’pAap A’ap

Aa’p

Most fully decoupledA few partial decoupling

Evolutionary Decoupling of Duplicated ARs

crp / fnr example

AR Duplication

Page 108: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Bacteria versus Eukaryote Transcriptional Hierarchy

Cosentino−Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert, PNAS 2007 Sellerio et al., submitted 2008

S. cerevisiae has long transcriptional cascades

while bacteria have short ones

S. cerevisiaeEscherichia coli Bacillus subtilis

> 50% of TF ~ 10% of TF

Long

est S

horte

st P

aths

Page 109: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Bacteria versus Eukaryote Transcriptional Hierarchy

Cosentino−Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert, PNAS 2007 Sellerio et al., submitted 2008

S. cerevisiae has long transcriptional cascades

while bacteria have short ones

S. cerevisiaeEscherichia coli Bacillus subtilis

Long

est S

horte

st P

aths

Page 110: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Bacteria versus Eukaryote Transcriptional Hierarchy

Cosentino−Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert, PNAS 2007 Sellerio et al., submitted 2008

S. cerevisiae has long transcriptional cascades

while bacteria have short ones

S. cerevisiaeEscherichia coli Bacillus subtilis

Long

est S

horte

st P

aths

Page 111: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Bacteria versus Eukaryote Transcriptional Hierarchy

Cosentino−Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert, PNAS 2007 Sellerio et al., submitted 2008

S. cerevisiae has long transcriptional cascades

while bacteria have short ones

S. cerevisiaeEscherichia coli Bacillus subtilis

Adaptative Selection ? Random drift ?

Long

est S

horte

st P

aths

Page 112: Les Réseaux Biologiques et leur Evolution

Bacteria versus Eukaryote Transcriptional Hierarchy

Cosentino−Lagomarsino, Jona, Bassetti & Isambert, PNAS 2007 Sellerio et al., submitted 2008

S. cerevisiae has long transcriptional cascades

while bacteria have short ones

S. cerevisiaeEscherichia coli Bacillus subtilis

Adaptative Selection ? Random drift ?

PopulationDynamics

Long

est S

horte

st P

aths