Many sensory systems (e.g., vision and hearing) show a response that is proportional to the fold-change in the stimulus relative to the background, a feature related to Weber's Law. Recent experiments suggest such a fold-change detection feature in signaling systems in cells: a response that depends on the fold-change in the input signal, and not on its absolute level. It is therefore of interest to find molecular mechanisms of gene regulation that can provide such fold-change detection. Here, we demonstrate theoretically that fold-change detection can be generated by one of the most common network motifs in transcription networks, the incoherent feedforward loop (I1-FFL), in which an activator regulates both a gene and a repressor of the gene. The fold-change detection feature of the I1-FFL applies to the entire shape of the response, including its amplitude and duration, and is valid for a wide range of biochemical parameters.

Abstract Microbes can initiate developmental gene regulatory cascades in animals. The molecular mechanisms underlying microbe-induced animal development and the evolutionary steps to integrate microbial signals into regulatory programs remain poorly understood. In the upside-down jellyfish Cassiopea xamachana , a dinoflagellate endosymbiont initiates the life stage transition from the sessile polyp to the sexual medusa. We found that metabolic products derived from symbiont carotenoids may be important to initiate C. xamachana development, in addition to expression of conserved genes involved in medusa development of non-symbiotic jellyfish. We also revealed the transcription factor COUP is expressed during metamorphosis, potentially as a co-regulator of nuclear receptor RXR. These data suggest relatively few steps may be necessary to integrate symbiont signals into gene regulatory networks and cements the role of the symbiont as a key trigger for life history transition in C. xamachana .

Abstract Can limb regeneration be induced? Few have pursued this question, and an evolutionarily conserved strategy has yet to emerge. This study reports a strategy for inducing regenerative response in appendages, which works across three species that span the animal phylogeny. In Cnidaria, the frequency of appendage regeneration in the moon jellyfish Aurelia was increased by feeding with the amino acid L-leucine and the growth hormone insulin. In insects, the same strategy induced tibia regeneration in adult Drosophila . Finally, in mammals, L-leucine and sucrose administration induced digit regeneration in adult mice, including dramatically from mid-phalangeal amputation. The conserved effect of L-leucine and insulin/sugar suggests a key role for energetic parameters in regeneration induction. The simplicity by which nutrient supplementation can induce appendage regeneration provides a testable hypothesis across animals.

WNT10B belongs to the family of WNT proteins that are implicated in a range of phenomena that are affected by the Wnt signaling pathway. Recent studies have shown that WNT10B plays a role in colorectal cancer. WNTs have been found to directly affect the stemness of the tumor cells via regulation of ASCL2. Switching off the ASCL2 literally blocks the stemness process of the tumor cells and vice versa. Furthermore, recent findings suggest BVES to be highly suppressed in malignancies and in vitro deletions of BVES show higher Wnt signaling activity to induce stemness. WNT10B was found to be highly expressed in such cases. Often, in biology, we are faced with the problem of exploring relevant unknown biological hypotheses in the form of myriads of combination of factors that might be affecting the pathway under certain conditions. For example, WNT10B-ASCL2 is one such 2nd order combination whose relation needs to be tested under the influence of recently developed porcupine-WNT inhibitor ETC-1922159. The inhibitor is known to suppress PORCN (porcupine) and thus inhibit a range of oncogenes known to be directly or indirectly affected by the Wnts. In a recent unpublished work in bioRxiv, we had the opportunity to rank these unknown biological hypotheses for down regulated genes at 2nd order level after the drug was administered. The in silico observations showed that the combination of WNT10B-ASCL2 was assigned a relatively lower rank, thus validating the pipeline's efficacy with the confirmed wet lab experiment that indicate that both WNT10B and ASCL2 were down regulated after treatment in cancer cells. Here, we take one step further by in silico analysis of the 3rd order combinations of WNT10B-X-X (X can be known or unknown factor), from a range of 100 randomly picked down regulated genes after ETC-1922159 treatment. The pipeline uses the density based HSIC (Hilbert Schmidt Information Criterion) sensitivity index with an rbf (radial basis function) kernel, which is known to be highly effective in sensitivity analysis. Various unknown/unexplored/untested 3rd order biological hypotheses emerge some of which are confirmed in wet lab, while others need to be tested. The potential of such ranking is indispensable in the current era of search in a vast combinatorial forest.

ABSTRACT Molecular studies of animal regeneration typically focus on conserved genes and signaling pathways that underlie morphogenesis. To date, a holistic analysis of gene expression across animals has not been attempted, as it presents a suite of problems related to differences in experimental design and gene homology. By combining orthology analysis with a novel statistical method for testing gene enrichment across large datasets, we are able to test whether biological processes across organisms share transcriptional regulation. We applied this method to six publicly available RNA-seq datasets from diverse examples of animal regeneration. We recovered 160 conserved orthologous gene clusters, which are enriched in structural genes as opposed to those regulating morphogenesis. A breakdown of gene presence/absence provides only limited support for the conservation of pathways typically implicated in regeneration, such as Wnt signaling and cell pluripotency. Specifically, these pathways are only conserved if we allow gene paralogs to be interchangeable through evolution. Overall, our analysis does not support the hypothesis that a shared set of ancestral genes underlie regeneration mechanisms in animals. The methods described in this paper will be broadly applicable for studying the genetic underpinnings of traits across distantly related organisms.