Nyitott kérdések: Milyen gének állnak az antagonista koevolúció hátterében?

Charles Darwin már 1863-ban felvetette a koevolúciós modell gondolatát, azt sugallva, hogy a madagaszkári csillag orchidea virágának szokatlan alakja egy magasan specializált sólyomlepkével való hosszú távú kölcsönhatás eredménye. Azóta számos biológiai jelenséget tulajdonítottak a koevolúciónak: a támadás és a védekezés eltúlzott vonásait, a szexuális szelekciót, a biodiverzitást és az immunrendszer evolúcióját, ami a növényeknél az R-gének, az állkapcsos gerinceseknél pedig az MHC rendkívüli genetikai változatosságában tükröződik. Az indoklás, amely szerint ezeket a tulajdonságokat a koevolúciónak tulajdonítják, a kölcsönös alkalmazkodás gondolatából ered: az egyik fajban bekövetkező változások fokozzák az ellenfélfajok szelekcióját, és fordítva. Ez az elképzelés azt feltételezi, hogy az egyik fajban bekövetkező változás a másik faj biológiai jellemzőire jellemző. Ezek a kölcsönhatások vezetnek tehát a gazdák és paraziták közötti antagonisztikus kölcsönhatásokban gyakran megfigyelhető nagyfokú specificitáshoz.

A koevolúcióra vonatkozó legjobb bizonyíték a fenotípusos változások vizsgálatából származik, ahol az egyik antagonistát különböző időpontokban tesztelik a másik antagonista izolátumával való kölcsönhatásban, ezt a megközelítést sikeresen alkalmazzák baktériumok, állatok és növények esetében . Bár az ilyen időeltolódási kísérletek hatékony eszközök a koevolúció kimutatására, általában nem tárják fel a folyamat hátterében álló genetikai mechanizmust. Hány gén vesz részt a gazdatest-parazita kölcsönhatásban, és hogyan szerveződnek a genomban? Hogyan hatnak egymásra, és mennyire specifikusak ezek a kölcsönhatások? Milyen szelekció hat a génekre? A géneket és hatásmechanizmusukat mindeddig egyetlen esetben sem sikerült azonosítani a természetben, annak ellenére, hogy az elmúlt 50 évben számos genetikai modell – verbális és matematikai – született a működő populációgenetikai folyamatok leírására. Ezek a modellek, amelyek a koevolúciós forgatókönyvek óriási változatosságát írják le, kimutatták, hogy a koevolúciós folyamat nagymértékben függ többek között a populációk genetikai összetételétől, a genetikai variáció forrásától (mutációk, génáramlás, rekombináció), a koevolúciós populációk méretétől és szerkezetétől, valamint a kölcsönhatásban lévő gének genetikai felépítésétől és a fenotípusra gyakorolt hatásuktól. A korábbi modellek egy vagy két lókuszt tartalmazó egyszerű genetikára összpontosítottak, míg a későbbi modellek több lókuszt vontak be, vagy akár poligénes öröklődést is feltételeztek. A modellek e sokféleségéből világossá vált, hogy a fenotípusos értékelések csak nagyon leegyszerűsített esetekben képesek azonosítani a koevolúció genetikai mechanizmusait, és hogy ezek az értékelések nagy valószínűséggel nem állják meg a helyüket természetes körülmények között. Fontos, hogy az is nyilvánvalóvá vált, hogy nem a fajok, hanem a gének és a hozzájuk kapcsolódó fenotípusok fejlődnek együtt. Ez hangsúlyozza a releváns gének azonosításának szükségességét a koevolúciós folyamat mechanikájának megértéséhez.

A leggyakrabban tárgyalt genetikai modellek közül kettő a szelektív söprés modellje és a Red Queen modell . A szelektív söpréses koevolúció azon az elképzelésen alapul, hogy az új mutációk két együttfejlődő faj populációiban fixálódnak. A mutációk a genomban bárhol előfordulhatnak és gyakoriságuk növekedhet, amennyiben hordozójuknak előnyt biztosítanak. A mutációknak nem kell váltakozniuk a két populációban. Egy populációban egymás után több mutáció is előfordulhat, sőt, az ivaros szervezeteknél a genom különböző régióiban egyszerre több mutáció is fixálódhat.

Ezzel szemben a Red Queen modell egy nagyon specifikus genetikai architektúrán alapul. Azt sugallja, hogy a gazdaszervezetben és a parazitában néhány lokuszon található allélok különbözőképpen reagálnak az antagonistára, a kölcsönhatásban lévő genotípusoktól függően. Egy A allél a gazdaszervezetben rezisztenciát biztosíthat az A típusú parazitával szemben, de fogékonyságot a B típusú parazitával szemben, míg egy másik allél (B) éppen fordítva. Ez a genetikai struktúra megakadályozhatja az allélok rögzülését evolúciós időskálákon keresztül. Mivel a paraziták követik a fogékonyságot okozó gazdaszervezeti allélokat, az időben késleltetett negatív frekvenciafüggő szelekció folyamata következik be, ami az allélfrekvenciák ciklikusságához vezet. Hosszú távon ez a folyamat kiegyensúlyozza a szelekciót és fenntartja a genetikai változatosságot a betegség lókuszokban. Mivel az A és B allélokat a kiegyensúlyozó szelekció hosszú ideig fenn tudja tartani, valószínű, hogy fejlődni fognak, és a szelekciós hullámok az A-t A’-ra, a B-t pedig B′-re cserélhetik. Hogy a dolgok még bonyolultabbá váljanak, a szelektív söprés és a negatív frekvenciafüggő szelekció általi együttes evolúció a genom különböző részein egyidejűleg is végbemehet, amennyiben a genetikai rekombináció szétválasztja dinamikájukat.

Noha a fenotípusok kísérleti és megfigyelési vizsgálatai közvetett bizonyítékokat közöltek mind a szelektív söprés, mind a Red Queen modellre, nehéz a mögöttes genetikai modellekre következtetni a fenotípusok együttes evolúciójából. Sőt, a természetesen együttfejlődő rendszerek összetettségét tekintve ez aligha tűnik lehetségesnek. Másrészt kevés közvetlen genetikai bizonyíték létezik. Néhány esetben megfigyelték, hogy a (feltételezhetően a koevolúcióban részt vevő) mutációk elterjedtek a gazdaszervezet vagy a parazita populációkban, de nem a koevolúció kontextusában. A betegséggel összefüggő ciklikus allélfrekvencia-dinamikát pedig még egyetlen esetben sem figyeltek meg gazdaszervezetekben és parazitákban. Így a koevolúció genetikai modelljeinek jelenlegi alátámasztása meglehetősen gyenge és többnyire csak közvetett. Másrészt a különböző élőlények genomjának átvizsgálása feltárta, hogy a feltehetően a gazda-parazita kölcsönhatásban szerepet játszó genomi régiók a genomok leggyorsabban fejlődő és leginkább polimorf génjei között vannak. Ez e sokféleség okainak és következményeinek intenzív kutatásához vezetett, még azelőtt, hogy a parazita betegségekkel való lehetséges kapcsolat egyértelművé vált volna. Ma már könnyű ilyen régiókat találni még a nem modellorganizmusokban is, de a legtöbb esetben csak találgatni tudunk a megfigyelt minták mögött meghúzódó folyamatokról.

A “Melyek az antagonista koevolúció hátterében álló gének?” kérdés megválaszolása segítene leküzdeni ezt a hiányosságot. A koevolúció genetikai modelljeinek ellenőrzéséhez meg kell találnunk a géneket mindkét antagonistában, meg kell értenünk a kölcsönhatásukat (funkciójukat), és követnünk kell időbeli dinamikájukat. Ezen információk birtokában a koevolúció vizsgálatát populációgenetikai keretbe helyezhetjük. Végül is a koevolúció genetikai modelljei szilárdan a populációgenetikában gyökereznek.

Hogyan találhatjuk meg a koevolúció alapjául szolgáló géneket? A betegségfenotípusokkal összefüggő gének megtalálásának hagyományos megközelítései a térképezési panelek különböző formáit, a teljes genom asszociációs kereteket és a proteomikát használják. Ezek a megközelítések a gazdák és a paraziták jó kontrollját igénylik, mivel a két antagonista esetében általában külön megközelítésekre van szükség. Az izgalmas új fejlemények lehetővé teszik a ko-genomikán alapuló alternatív megközelítéseket – a gazdaszervezet és a parazita genomjának egyidejű tanulmányozását annak érdekében, hogy megtalálják azokat a genomi régiókat, amelyek valamilyen formában asszociációt mutatnak a két antagonista között . Ezek az újonnan kifejlesztett megközelítések lehetővé teszik számunkra, hogy a gazdaszervezet genotípusa és a parazita genotípusa közötti kölcsönhatásokat és a betegséggel kapcsolatos fenotípusokkal való összefüggéseket nagyobb pontossággal tárjuk fel, mint a csak a gazdaszervezet vagy a parazita genomján alapuló megközelítések. Továbbá lehetőség nyílik arra, hogy pillanatképeket kapjunk a gazdatest-parazita társulásokról a populációk természetes kölcsönhatásai során .