Avoinna olevat kysymykset: Mitkä ovat antagonistisen yhteisevoluution taustalla olevat geenit?

Jo vuonna 1863 Charles Darwin oli nostanut esiin ajatuksen yhteisevoluutiomallista ehdottaen, että Madagaskarin tähtiorvokin kukan epätavallinen muoto oli seurausta sen pitkäaikaisista vuorovaikutussuhteista pitkälle erikoistuneen haukkakoiraan kanssa. Sittemmin monet biologiset ilmiöt on liitetty yhteisevoluutioon: hyökkäys- ja puolustusominaisuuksien liioittelu, seksuaalinen valikoituminen, biologinen monimuotoisuus ja immuunijärjestelmän evoluutio, joka näkyy R-geenien poikkeuksellisena geneettisenä monimuotoisuutena kasveissa ja MHC:n poikkeuksellisena geneettisenä monimuotoisuutena leukaselkärankaisilla. Perusteluna sille, että nämä piirteet johtuvat yhteisevoluutiosta, on ajatus vastavuoroisesta sopeutumisesta: yhdessä lajissa tapahtuvat muutokset voimistavat lajin vastapuolen valintaa ja päinvastoin. Tämä ajatus edellyttää, että muutos yhdessä lajissa on spesifinen toisen lajin biologisille ominaisuuksille. Nämä vuorovaikutussuhteet johtavat siten siihen, että isäntien ja loisten välisissä antagonistisissa vuorovaikutussuhteissa havaitaan yleisesti suurta spesifisyyttä.

Parhaat todisteet yhteisevoluutiosta saadaan fenotyyppisten muutosten tutkimuksista, joissa yhtä antagonistia testataan eri ajankohtina sen vuorovaikutuksessa toisen antagonistin isolaattien kanssa, ja tätä lähestymistapaa on käytetty menestyksekkäästi bakteereissa, eläimissä ja kasveissa . Vaikka tällaiset aikasiirtymäkokeet ovat tehokkaita välineitä yhteisevoluution havaitsemiseksi, ne eivät yleensä paljasta prosessin taustalla olevaa geneettistä mekanismia. Kuinka monta geeniä on mukana isännän ja loisen vuorovaikutuksessa ja miten ne ovat järjestäytyneet genomissa? Miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja kuinka spesifisiä nämä vuorovaikutukset ovat? Minkälainen valinta vaikuttaa geeneihin? Geenejä ja niiden toimintamekanismeja ei ole toistaiseksi tunnistettu yhdestäkään luonnossa esiintyvästä tapauksesta, vaikka viimeisten 50 vuoden aikana on esitetty useita geneettisiä malleja – sekä sanallisia että matemaattisia – kuvaamaan toiminnassa olevia populaatiogenetiikan prosesseja. Nämä mallit, jotka kuvaavat valtavasti erilaisia yhteisevoluutioskenaarioita , ovat osoittaneet, että yhteisevoluutioprosessi riippuu suuresti muun muassa populaatioiden geneettisestä koostumuksesta, geneettisen vaihtelun lähteestä (mutaatiot, geenivirrat, rekombinaatio), yhteisevoluutiopopulaatioiden koosta ja rakenteesta sekä vuorovaikutuksessa olevien geenien geneettisestä arkkitehtuurista ja niiden vaikutuksista fenotyyppiin. Aikaisemmissa malleissa keskityttiin yksinkertaiseen genetiikkaan, jossa oli yksi tai kaksi lokusta, kun taas myöhemmissä malleissa käytettiin useampia lokuksia tai oletettiin jopa polygeenistä periytymistä. Tästä mallien moninaisuudesta kävi selväksi, että fenotyyppisillä arvioinneilla pystyttäisiin tunnistamaan yhteisevoluution geneettiset mekanismit vain hyvin yksinkertaistetuissa tapauksissa ja että nämä arviot eivät todennäköisesti pidä paikkaansa luonnonolosuhteissa. Tärkeää on myös, että on käynyt selväksi, etteivät lajit kehity yhdessä, vaan geenit ja niihin liittyvät fenotyypit. Tämä korostaa tarvetta tunnistaa relevantit geenit, jotta voidaan ymmärtää yhteisevoluutioprosessin mekaniikkaa.

Kaksi yleisimmin käsiteltyä geneettistä mallia ovat valikoivan pyyhkäisyn malli ja Red Queen -malli . Valikoivan pyyhkäisyn yhteisevoluutio perustuu ajatukseen, että uudet mutaatiot pyyhkäisevät fiksoitumaan kahden yhteisevoluutiossa olevan lajin populaatioissa. Mutaatioita voi esiintyä missä tahansa genomissa ja niiden esiintymistiheys voi kasvaa, kunhan ne tuottavat kantajalleen etua. Mutaatioiden ei tarvitse vuorotella kahdessa populaatiossa. Populaatiossa voi olla useita mutaatioita, jotka pyyhkäisevät peräkkäin, ja seksuaalisissa eliöissä useita mutaatioita voi jopa pyyhkäistä fiksaatioon genomin eri alueilla samanaikaisesti.

Punaisen kuningattaren malli sen sijaan perustuu hyvin spesifiseen geneettiseen arkkitehtuuriin. Sen mukaan isännän ja loisen muutaman lokuksen alleelit reagoivat eri tavoin antagonistiin riippuen vuorovaikutuksessa olevista genotyypeistä. Isännän alleeli A voi antaa vastustuskyvyn loistyypille A mutta alttiuden loistyypille B, kun taas toinen alleeli (B) voi toimia päinvastoin. Tämä geneettinen arkkitehtuuri voi estää alleelien kiinnittymisen evoluutioaikana. Koska loiset seuraavat alttiutta aiheuttavia isännän alleeleja, tapahtuu ajallisesti viivästynyt negatiivinen taajuusriippuvainen valintaprosessi, joka johtaa alleelien frekvenssien syklisyyteen. Pitkällä aikavälillä tämä prosessi tasapainottaa valintaa ja ylläpitää geneettistä vaihtelua tautilokuksissa. Koska alleelit A ja B voivat säilyä tasapainottavan valinnan ansiosta pitkään, ne todennäköisesti kehittyvät, ja valikoivat pyyhkäisyt voivat korvata A:n A’:lla ja B:n B′:llä. Kaiken kukkuraksi valikoivan pyyhkäisyn ja negatiivisen taajuusriippuvaisen valinnan aiheuttama yhteisevoluutio voi tapahtua samanaikaisesti genomin eri osissa, kunhan geneettinen rekombinaatio purkaa niiden dynamiikan.

Vaikka kokeellisissa ja fenotyyppien havainnointitutkimuksissa on raportoitu epäsuoraa todistusaineistoa sekä valikoivan pyyhkäisyn että punaisen kuningattaren malleista, on vaikeaa päätellä taustalla olevia geneettisiä malleja samanaikaisesti kehittyvistä fenotyypeistä. Kun otetaan huomioon luonnollisesti yhteiskehittyvien järjestelmien monimutkaisuus, se tuskin vaikuttaa mahdolliselta. Toisaalta suoraa geneettistä näyttöä on vain vähän. Muutamissa tapauksissa mutaatioiden (joiden oletetaan osallistuvan yhteisevoluutioon) on havaittu leviävän isäntä- tai loispopulaatioissa, mutta ei yhteisevoluution yhteydessä. Eikä isännissä ja loisissa ole vielä havaittu yhtään tapausta, jossa alleelien esiintymistiheys olisi muuttunut syklisesti taudin yhteydessä. Näin ollen nykyinen tuki yhteisevoluution geneettisille malleille on melko heikko ja lähinnä aihetodisteellinen. Toisaalta erilaisten organismien genomitutkimukset paljastivat, että genomialueet, jotka oletettavasti osallistuvat isännän ja loisen vuorovaikutukseen, erottuvat genomien nopeimmin kehittyvien ja polymorfisimpien geenien joukossa. Tämä on johtanut intensiiviseen tutkimukseen tämän monimuotoisuuden syistä ja seurauksista jo ennen kuin mahdollinen yhteys loistauteihin oli selvä. Tällaisia alueita on nykyään helppo löytää myös muista kuin malliorganismeista, mutta useimmissa tapauksissa voimme vain spekuloida havaittujen mallien taustalla olevia prosesseja.

Vastauksen antaminen kysymykseen ”Mitkä ovat antagonistisen yhteisevoluution taustalla olevat geenit?” auttaisi meitä ylittämään tämän puutteen. Koevoluution geneettisten mallien todentamiseksi meidän on löydettävä geenit molemmista antagonisteista, ymmärrettävä niiden vuorovaikutusta (toimintaa) ja seurattava niiden ajallista dynamiikkaa. Näiden tietojen avulla voimme sijoittaa yhteisevoluution tutkimuksen populaatiogenetiikan kehykseen. Loppujen lopuksi yhteisevoluution geneettiset mallit ovat vahvasti juurtuneet populaatiogenetiikkaan.

Miten voimme löytää yhteisevoluution taustalla olevat geenit? Perinteisissä lähestymistavoissa, joilla pyritään löytämään sairausilmiöihin liittyviä geenejä, käytetään erilaisia kartoituspaneeleita, koko genomin assosiaatiokehyksiä ja proteomiikkaa. Nämä lähestymistavat edellyttävät isäntien ja loisten hyvää hallintaa, sillä näitä kahta antagonistia varten tarvitaan yleensä erillisiä lähestymistapoja. Jännittävä uusi kehitys mahdollistaa vaihtoehtoiset lähestymistavat, jotka perustuvat yhteisgenomiikkaan – isännän ja loisen genomien samanaikaiseen tutkimiseen sellaisten genomialueiden löytämiseksi, jotka osoittavat jonkinlaista assosiaatiota näiden kahden antagonistin välillä. Näiden hiljattain kehitettyjen lähestymistapojen avulla voimme paljastaa isännän genotyypin ja loisen genotyypin välisiä vuorovaikutuksia ja yhteyksiä tautiin liittyviin fenotyyppeihin suuremmalla tarkkuudella kuin vain isännän tai loisen genomiin perustuvilla lähestymistavoilla. Lisäksi on mahdollista saada tilannekuvia isännän ja loisen välisistä assosiaatioista populaatioista niiden luonnollisten vuorovaikutusten aikana.