Opne spørgsmål: Hvilke gener ligger til grund for antagonistisk koevolution?

Så tidligt som i 1863 havde Charles Darwin rejst tanken om en koevolutionsmodel, idet han foreslog, at den usædvanlige form på Madagascar Star-orkidéens blomst var resultatet af dens langvarige interaktioner med en højt specialiseret høkermøl. Siden da er mange biologiske fænomener blevet tilskrevet koevolutionen: overdrevne træk ved angreb og forsvar, seksuel udvælgelse, biodiversitet og udvikling af immunsystemet, som afspejles i den ekstraordinære genetiske diversitet af R-generne hos planter og MHC hos hvirveldyr med kæber. Begrundelsen for at tilskrive disse træk til koevolution stammer fra idéen om gensidig tilpasning: at ændringer hos en art intensiverer udvælgelsen hos den antagonistiske art og omvendt. Denne idé indebærer, at ændringer hos den ene art er specifikke for biologiske træk hos den anden art. Disse interaktioner fører således til den høje grad af specificitet, der almindeligvis observeres i antagonistiske interaktioner mellem værter og parasitter.

Det bedste bevis for koevolution kommer fra undersøgelser af fænotypiske ændringer, hvor en antagonist testes på forskellige tidspunkter i sit samspil med isolater af den anden antagonist, en fremgangsmåde, der med succes anvendes i bakterier, dyr og planter . Selv om sådanne tidsforskydningsforsøg er effektive redskaber til at påvise koevolution, afslører de generelt ikke den genetiske mekanisme, der ligger til grund for processen. Hvor mange gener er involveret i interaktioner mellem vært og parasit, og hvordan er de organiseret i genomet? Hvordan interagerer de, og hvor specifikke er disse interaktioner? Hvilken form for selektion virker på generne? Generne og deres virkningsmekanisme er indtil videre ikke blevet identificeret for et eneste tilfælde i naturen, selv om der i de sidste 50 år er blevet opstillet en række genetiske modeller – både verbale og matematiske – for at beskrive de populationsgenetiske processer, der er på spil. Disse modeller, som beskriver en enorm mangfoldighed af samevolutionære scenarier, har vist, at den samevolutionære proces i høj grad afhænger af bl.a. populationernes genetiske sammensætning, kilden til genetisk variation (mutationer, genstrømme, rekombination), størrelsen og strukturen af de samudviklende populationer samt den genetiske arkitektur af de interagerende gener og deres indvirkning på fænotypen. Tidligere modeller fokuserede på simpel genetik med en eller to loci, mens senere modeller inddrog flere loci eller endog antog polygene arvelighed. Ud fra denne mangfoldighed af modeller blev det klart, at fænotypiske vurderinger kun ville være i stand til at identificere de genetiske mekanismer for koevolution i meget forenklede tilfælde, og at det er meget usandsynligt, at disse vurderinger kan holde under naturlige forhold. Det er også blevet klart, at det ikke er arterne, der udvikler sig sammen, men generne og de tilknyttede fænotyper. Dette understreger behovet for at identificere de relevante gener for at forstå mekanikken i den coevolutionære proces.

To af de hyppigst diskuterede genetiske modeller er den selektive fejemodel og den røde dronningemodel . Selektiv sweep-koevolution er baseret på den idé, at nye mutationer sweep til fiksering i populationerne af to arter, der udvikler sig sammen. Mutationer kan forekomme hvor som helst i genomet og øges i hyppighed, så længe de giver deres bærere en fordel. Mutationer behøver ikke at veksle i de to populationer. En population kan have flere mutationer, der fejer successivt, og i seksuelle organismer kan flere mutationer endda feje til fiksering i forskellige regioner af genomet på samme tid.

Den røde dronningemodel er derimod baseret på en meget specifik genetisk arkitektur. Den antyder, at alleler på nogle få loci i værten og i parasitten reagerer forskelligt på antagonisten, afhængigt af de interagerende genotyper. En allel A i værten kan give resistens over for parasittype A, men modtagelighed over for parasittype B, mens en anden allel (B) kan gøre det omvendte. Denne genetiske arkitektur kan forhindre, at alleler fikseres over evolutionære tidsskalaer. Da parasitterne sporer værtsalleler, der forårsager modtagelighed, opstår der en proces med tidsmæssigt forskudt negativ frekvensafhængig selektion, hvilket fører til cyklusser i allelfrekvenserne. På lang sigt afbalancerer denne proces udvælgelsen og opretholder den genetiske variation på sygdomslokaliteterne. Da allelerne A og B kan opretholdes ved balancerende selektion i lange perioder, er det sandsynligt, at de vil udvikle sig, og at selektive fejninger kan erstatte A med A’ og B med B′. For at gøre tingene mere komplicerede kan samudvikling ved selektiv fejning og ved negativ frekvensafhængig selektion ske på samme tid i forskellige dele af genomet, så længe genetisk rekombination afkobler deres dynamik.

Men selv om eksperimentelle og observationelle undersøgelser af fænotyper har rapporteret indirekte beviser for både den selektive fejning og Red Queen-modellen, er det vanskeligt at udlede de underliggende genetiske modeller af samudviklende fænotyper. I betragtning af kompleksiteten af naturligt coevolverende systemer synes det faktisk næppe muligt. På den anden side findes der kun få direkte genetiske beviser. I nogle få tilfælde er det blevet observeret, at mutationer (som angiveligt er involveret i koevolution) spredes i værts- eller parasitpopulationer, men ikke i forbindelse med koevolution. Og der er endnu ikke blevet observeret noget tilfælde af cyklisk dynamik i allelfrekvensen i forbindelse med sygdom hos værter og parasitter. Den nuværende støtte til de genetiske modeller for koevolution er således ret ringe og hovedsagelig baseret på indicier. På den anden side har genomscanninger af forskellige organismer afsløret, at genomiske regioner, der formodes at være involveret i interaktioner mellem vært og parasit, er blandt de mest hurtigt udviklende og mest polymorfe gener i genomerne. Dette har ført til intensiv forskning i årsagerne til og konsekvenserne af denne mangfoldighed, selv før en potentiel forbindelse til parasitsygdomme var klar. Det er nu let at finde sådanne regioner selv i ikke-modelorganismer, men i de fleste tilfælde kan vi kun spekulere i de processer, der ligger bag de observerede mønstre.

Svar på spørgsmålet “Hvilke gener ligger til grund for antagonistisk koevolution?” ville hjælpe os med at overvinde denne mangel. For at verificere genetiske modeller for koevolution er vi nødt til at finde generne hos begge antagonister, forstå deres interaktion (funktion) og følge deres tidslige dynamik. Med disse oplysninger kan vi placere undersøgelsen af coevolution inden for en populationsgenetisk ramme. Genetiske modeller for koevolution er trods alt solidt forankret i populationsgenetik.

Hvordan kan vi finde de gener, der ligger til grund for koevolution? Traditionelle tilgange til at finde gener, der er forbundet med sygdomsfænotyper, anvender forskellige former for kortlægningspaneler, helgenomassocieringsrammer og proteomik. Disse tilgange kræver god kontrol med værter og parasitter, da det normalt er nødvendigt med separate tilgange for de to antagonister. En spændende ny udvikling giver mulighed for alternative tilgange baseret på co-genomik – den samtidige undersøgelse af værts- og parasitgenomer med henblik på at lokalisere genomiske regioner, der viser en eller anden form for association mellem de to antagonister . Disse nyudviklede metoder gør det muligt at afdække interaktioner mellem værtsgenotyper og parasitgenotyper og sammenhænge med sygdomsrelaterede fænotyper med større præcision end metoder, der kun er baseret på værts- eller parasitgenomerne. Desuden er det muligt at få øjebliksbilleder af vært-parasit-sammenslutninger fra populationer under deres naturlige interaktioner .