Preguntas abiertas: ¿cuáles son los genes que subyacen a la coevolución antagónica?
Ya en 1863, Charles Darwin había planteado la idea de un modelo de coevolución, sugiriendo que la forma inusual de la flor de la orquídea Estrella de Madagascar era el resultado de sus interacciones a largo plazo con una polilla halcón altamente especializada. Desde entonces, muchos fenómenos biológicos se han atribuido a la coevolución: rasgos exagerados de ataque y defensa, selección sexual, biodiversidad y evolución del sistema inmunitario, reflejada en la extraordinaria diversidad genética de los genes R en las plantas y del CMH en los vertebrados con mandíbulas. La justificación para atribuir estos rasgos a la coevolución proviene de la idea de adaptación recíproca: que los cambios en una especie intensifican la selección en la especie antagonista, y viceversa. Esta idea implica que los cambios en una especie son específicos para las características biológicas de la otra especie. Estas interacciones conducen así al alto grado de especificidad comúnmente observado en las interacciones antagónicas entre huéspedes y parásitos.
La mejor evidencia de la coevolución proviene de los estudios sobre cambios fenotípicos, en los que un antagonista es probado, en diferentes puntos temporales, en su interacción con aislados del otro antagonista, un enfoque utilizado con éxito en bacterias, animales y plantas . Aunque estos experimentos de desplazamiento temporal son herramientas poderosas para detectar la coevolución, generalmente no revelan el mecanismo genético que subyace al proceso. ¿Cuántos genes intervienen en las interacciones huésped-parásito y cómo están organizados en el genoma? ¿Cómo interactúan y cuán específicas son estas interacciones? ¿Qué forma de selección opera sobre los genes? Los genes y su mecanismo de acción no han sido identificados hasta ahora en ningún caso en la naturaleza, a pesar de que, en los últimos 50 años, se han propuesto varios modelos genéticos -tanto verbales como matemáticos- para describir los procesos genéticos de la población en funcionamiento. Estos modelos, que describen una enorme diversidad de escenarios coevolutivos, han demostrado que el proceso coevolutivo depende en gran medida, entre otras cosas, de la composición genética de las poblaciones, la fuente de variación genética (mutaciones, flujo de genes, recombinación), el tamaño y la estructura de las poblaciones que coevolucionan y la arquitectura genética de los genes que interactúan y sus efectos para el fenotipo. Los primeros modelos se centraban en una genética simple con uno o dos loci, mientras que los posteriores incorporaban más loci o incluso asumían una herencia poligénica. A partir de esta diversidad de modelos, quedó claro que las evaluaciones fenotípicas sólo podrían identificar los mecanismos genéticos de la coevolución en casos muy simplificados y que es muy poco probable que estas evaluaciones se mantengan en condiciones naturales. Es importante destacar que también se ha hecho evidente que no son las especies las que coevolucionan, sino los genes y sus fenotipos asociados. Esto subraya la necesidad de identificar los genes relevantes para entender la mecánica del proceso coevolutivo.
Dos de los modelos genéticos más discutidos son el modelo de barrido selectivo y el modelo de la Reina Roja . La coevolución de barrido selectivo se basa en la idea de que las nuevas mutaciones barren hacia la fijación en las poblaciones de dos especies que coevolucionan. Las mutaciones pueden producirse en cualquier parte del genoma y aumentar su frecuencia, siempre que proporcionen una ventaja a su portador. No es necesario que las mutaciones se alternen en las dos poblaciones. Una población puede tener múltiples mutaciones que se barren sucesivamente y, en los organismos sexuales, múltiples mutaciones pueden incluso barrerse hasta la fijación en diferentes regiones del genoma al mismo tiempo.
En cambio, el modelo de la Reina Roja se basa en una arquitectura genética muy específica. Sugiere que los alelos de unos pocos loci en el huésped y en el parásito responden de forma diferente al antagonista, dependiendo de los genotipos que interactúan. Un alelo A en el huésped puede proporcionar resistencia al tipo de parásito A, pero susceptibilidad al tipo de parásito B, mientras que otro alelo (B) puede hacer lo contrario. Esta arquitectura genética puede impedir la fijación de alelos a lo largo de escalas de tiempo evolutivas. Dado que los parásitos rastrean los alelos del huésped que causan susceptibilidad, se produce un proceso de selección negativa dependiente de la frecuencia en el tiempo, lo que conduce a ciclos en las frecuencias de los alelos. A largo plazo, este proceso equilibra la selección y mantiene la variación genética en los loci de la enfermedad. Como los alelos A y B pueden mantenerse mediante una selección equilibrada durante largos periodos de tiempo, es probable que evolucionen, y los barridos selectivos pueden sustituir A por A’ y B por B′. Para complicar más las cosas, la coevolución por barrido selectivo y por selección negativa dependiente de la frecuencia puede ocurrir al mismo tiempo en diferentes partes del genoma, siempre y cuando la recombinación genética desvincule sus dinámicas.
Aunque los estudios experimentales y observacionales de los fenotipos han reportado evidencia indirecta para los modelos de barrido selectivo y Reina Roja, es difícil inferir los modelos genéticos subyacentes a partir de los fenotipos que coevolucionan. De hecho, dada la complejidad de los sistemas que coevolucionan de forma natural, apenas parece posible. Por otra parte, existen pocas pruebas genéticas directas. En unos pocos casos, se ha observado que las mutaciones (supuestamente implicadas en la coevolución) se propagan en las poblaciones de huéspedes o parásitos, pero no en el contexto de la coevolución. Y todavía no se ha observado ningún caso de dinámica cíclica de la frecuencia alélica en asociación con la enfermedad en huéspedes y parásitos. Así pues, el apoyo actual a los modelos genéticos de coevolución es más bien escaso y sobre todo circunstancial. Por otro lado, los escaneos del genoma en diversos organismos descubrieron que las regiones genómicas presuntamente implicadas en las interacciones entre el huésped y el parásito destacan por estar entre los genes que evolucionan más rápidamente y son más polimórficos en los genomas. Esto ha dado lugar a una intensa investigación sobre las causas y consecuencias de esta diversidad, incluso antes de que estuviera clara su posible relación con las enfermedades parasitarias. Ahora es fácil encontrar tales regiones incluso en organismos no modelo, pero en la mayoría de los casos, sólo podemos especular sobre los procesos que hay detrás de los patrones observados.
Responder a la pregunta «¿Cuáles son los genes que subyacen a la coevolución antagónica?» nos ayudaría a superar esta carencia. Para verificar los modelos genéticos de coevolución, necesitamos encontrar los genes en ambos antagonistas, entender su interacción (función) y seguir su dinámica temporal. Con esta información, podemos situar el estudio de la coevolución en un marco genético poblacional. Después de todo, los modelos genéticos de coevolución están firmemente arraigados en la genética de poblaciones.
¿Cómo podemos encontrar los genes que subyacen a la coevolución? Los enfoques tradicionales para encontrar genes asociados a fenotipos de enfermedades utilizan diversas formas de paneles de mapeo, marcos de asociación de todo el genoma y proteómica. Estos enfoques requieren un buen control de los huéspedes y los parásitos, ya que suelen ser necesarios enfoques separados para los dos antagonistas. Nuevos e interesantes desarrollos permiten enfoques alternativos basados en la co-genómica -el estudio simultáneo de los genomas del huésped y del parásito para localizar las regiones genómicas que muestran alguna forma de asociación entre los dos antagonistas-. Estos enfoques recién desarrollados nos permiten descubrir las interacciones entre el genotipo del huésped y el genotipo del parásito, así como las asociaciones con los fenotipos relacionados con la enfermedad, con mayor precisión que los enfoques basados únicamente en el genoma del huésped o del parásito. Además, es posible obtener instantáneas de las asociaciones huésped-parásito de las poblaciones durante sus interacciones naturales.