Offene Fragen: Welche Gene liegen der antagonistischen Koevolution zugrunde?

Bereits 1863 hatte Charles Darwin die Idee eines Koevolutionsmodells geäußert, indem er vorschlug, dass die ungewöhnliche Form der Blüte der Madagaskar-Sternorchidee das Ergebnis langfristiger Interaktionen mit einem hochspezialisierten Nachtfalter sei. Seitdem wurden viele biologische Phänomene der Koevolution zugeschrieben: übertriebene Angriffs- und Verteidigungsmerkmale, sexuelle Selektion, biologische Vielfalt und die Evolution des Immunsystems, die sich in der außergewöhnlichen genetischen Vielfalt der R-Gene bei Pflanzen und des MHC bei Kieferwirbeltieren widerspiegelt. Die Begründung dafür, dass diese Merkmale auf Koevolution zurückzuführen sind, ergibt sich aus der Idee der wechselseitigen Anpassung: Veränderungen bei einer Art verstärken die Selektion bei der gegnerischen Art und vice versa. Dieser Gedanke impliziert, dass die Veränderungen bei einer Art spezifisch für die biologischen Merkmale der anderen Art sind. Diese Wechselwirkungen führen somit zu dem hohen Grad an Spezifität, der häufig bei antagonistischen Interaktionen zwischen Wirten und Parasiten zu beobachten ist.

Der beste Beweis für Koevolution stammt aus Studien über phänotypische Veränderungen, bei denen ein Antagonist zu verschiedenen Zeitpunkten in seiner Interaktion mit Isolaten des anderen Antagonisten getestet wird, ein Ansatz, der erfolgreich bei Bakterien, Tieren und Pflanzen angewandt wird. Solche Zeitverschiebungsexperimente sind zwar ein leistungsfähiges Instrument zum Nachweis der Koevolution, geben aber im Allgemeinen keinen Aufschluss über den genetischen Mechanismus, der diesem Prozess zugrunde liegt. Wie viele Gene sind an den Wirt-Parasit-Interaktionen beteiligt, und wie sind sie im Genom organisiert? Wie interagieren sie, und wie spezifisch sind diese Interaktionen? Welche Form der Selektion wirkt auf die Gene? Die Gene und ihre Wirkmechanismen sind bisher in keinem einzigen Fall in der Natur identifiziert worden, obwohl in den letzten 50 Jahren eine Reihe von genetischen Modellen – sowohl verbale als auch mathematische – entwickelt wurden, um die populationsgenetischen Prozesse zu beschreiben. Diese Modelle, die eine enorme Vielfalt von Koevolutionsszenarien beschreiben, haben gezeigt, dass der Koevolutionsprozess unter anderem in hohem Maße von der genetischen Zusammensetzung der Populationen, der Quelle der genetischen Variation (Mutationen, Genfluss, Rekombination), der Größe und Struktur der ko-evolvierenden Populationen sowie der genetischen Architektur der interagierenden Gene und ihrer Auswirkungen auf den Phänotyp abhängt. Frühere Modelle konzentrierten sich auf eine einfache Genetik mit einem oder zwei Loci, während spätere Modelle mehr Loci einschlossen oder sogar eine polygene Vererbung annahmen. Aus dieser Vielfalt an Modellen wurde deutlich, dass phänotypische Bewertungen nur in sehr vereinfachten Fällen in der Lage sind, die genetischen Mechanismen der Koevolution zu identifizieren, und dass diese Bewertungen unter natürlichen Bedingungen kaum Bestand haben werden. Wichtig ist auch, dass es nicht die Arten sind, die sich koevolvieren, sondern die Gene und die damit verbundenen Phänotypen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, die relevanten Gene zu identifizieren, um die Mechanismen des Koevolutionsprozesses zu verstehen.

Zwei der am häufigsten diskutierten genetischen Modelle sind das Selective Sweep Modell und das Red Queen Modell . Die selektive Koevolution basiert auf der Idee, dass neue Mutationen in den Populationen zweier ko-evolvierender Arten zur Fixierung gelangen. Mutationen können überall im Genom vorkommen und in ihrer Häufigkeit zunehmen, solange sie ihrem Träger einen Vorteil verschaffen. Die Mutationen müssen sich nicht in den beiden Populationen abwechseln. Eine Population kann mehrere Mutationen aufweisen, die sich nacheinander ausbreiten, und bei sexuellen Organismen können sich sogar mehrere Mutationen in verschiedenen Regionen des Genoms gleichzeitig fixieren.

Im Gegensatz dazu basiert das Modell der Roten Königin auf einer sehr spezifischen genetischen Architektur. Es geht davon aus, dass Allele an einigen wenigen Loci im Wirt und im Parasiten unterschiedlich auf den Antagonisten reagieren, je nach den interagierenden Genotypen. Ein Allel A im Wirt kann Resistenz gegen Parasitentyp A, aber Anfälligkeit für Parasitentyp B bewirken, während ein anderes Allel (B) das Gegenteil bewirkt. Diese genetische Architektur kann die Fixierung von Allelen über evolutionäre Zeitskalen hinweg verhindern. Da Parasiten Wirtsallele aufspüren, die Anfälligkeit verursachen, kommt es zu einem Prozess der zeitverzögerten negativen frequenzabhängigen Selektion, der zu Zyklen in den Allelfrequenzen führt. Langfristig gleicht dieser Prozess die Selektion aus und erhält die genetische Variation an den Krankheitsloci aufrecht. Da die Allele A und B durch die ausgleichende Selektion über lange Zeiträume hinweg erhalten werden können, ist es wahrscheinlich, dass sie sich weiterentwickeln, und durch selektive Ausbreitungen kann A durch A‘ und B durch B′ ersetzt werden. Um die Dinge noch komplizierter zu machen, kann die Koevolution durch selektiven Sweep und durch negative frequenzabhängige Selektion gleichzeitig in verschiedenen Teilen des Genoms stattfinden, solange die genetische Rekombination ihre Dynamik entkoppelt.

Obwohl experimentelle und Beobachtungsstudien von Phänotypen indirekte Beweise sowohl für das Modell des selektiven Sweeps als auch für das der Roten Königin erbracht haben, ist es schwierig, die zugrunde liegenden genetischen Modelle aus der Koevolution von Phänotypen abzuleiten. Angesichts der Komplexität natürlicher koevolutiver Systeme scheint dies auch kaum möglich. Andererseits gibt es kaum direkte genetische Beweise. In einigen wenigen Fällen wurde beobachtet, dass sich Mutationen (die angeblich an der Koevolution beteiligt sind) in Wirts- oder Parasitenpopulationen ausbreiten, aber nicht im Zusammenhang mit der Koevolution. Und es wurde noch kein Fall einer zyklischen Allelfrequenzdynamik in Verbindung mit einer Krankheit bei Wirten und Parasiten beobachtet. Daher ist die derzeitige Unterstützung für die genetischen Modelle der Koevolution eher dürftig und beruht hauptsächlich auf Indizien. Andererseits haben Genom-Scans bei verschiedenen Organismen ergeben, dass genomische Regionen, die vermutlich an Wirt-Parasit-Interaktionen beteiligt sind, zu den sich am schnellsten entwickelnden und polymorphsten Genen in den Genomen gehören. Dies hat zu einer intensiven Erforschung der Ursachen und Folgen dieser Vielfalt geführt, noch bevor ein möglicher Zusammenhang mit parasitären Krankheiten deutlich wurde. Inzwischen ist es ein Leichtes, solche Regionen auch in Nicht-Modellorganismen zu finden, aber in den meisten Fällen können wir über die Prozesse hinter den beobachteten Mustern nur spekulieren.

Die Beantwortung der Frage „Welche Gene liegen der antagonistischen Koevolution zugrunde?“ würde uns helfen, dieses Manko zu überwinden. Um genetische Modelle der Koevolution zu verifizieren, müssen wir die Gene in beiden Antagonisten finden, ihre Interaktion (Funktion) verstehen und ihre zeitliche Dynamik verfolgen. Mit diesen Informationen können wir die Untersuchung der Koevolution in einen populationsgenetischen Rahmen stellen. Schließlich sind genetische Modelle der Koevolution fest in der Populationsgenetik verwurzelt.

Wie können wir die Gene finden, die der Koevolution zugrunde liegen? Traditionelle Ansätze zur Suche nach Genen, die mit Krankheitsphänotypen assoziiert sind, verwenden verschiedene Formen von Kartierungspanels, Ganzgenom-Assoziationsrahmen und Proteomik. Diese Ansätze erfordern eine gute Kontrolle von Wirten und Parasiten, da für die beiden Antagonisten in der Regel getrennte Ansätze erforderlich sind. Spannende neue Entwicklungen ermöglichen alternative Ansätze auf der Grundlage der Co-Genomik – der gleichzeitigen Untersuchung von Wirts- und Parasitengenomen, um genomische Regionen zu finden, die eine Form der Assoziation zwischen den beiden Antagonisten aufweisen. Mit diesen neu entwickelten Ansätzen können wir die Wechselwirkungen zwischen Wirtsgenotyp und Parasitengenotyp und die Assoziationen mit krankheitsbezogenen Phänotypen mit höherer Präzision aufdecken als mit Ansätzen, die nur auf dem Wirts- oder dem Parasitengenom basieren. Darüber hinaus ist es möglich, Schnappschüsse von Wirt-Parasit-Assoziationen aus Populationen während ihrer natürlichen Interaktionen zu erhalten.