Domande aperte: quali sono i geni alla base della coevoluzione antagonista?

Già nel 1863, Charles Darwin aveva sollevato l’idea di un modello coevolutivo, suggerendo che la forma insolita del fiore dell’orchidea Stella del Madagascar era il risultato delle sue interazioni a lungo termine con una falena falco altamente specializzata. Da allora, molti fenomeni biologici sono stati attribuiti alla coevoluzione: tratti esagerati di offesa e difesa, selezione sessuale, biodiversità, ed evoluzione del sistema immunitario, che si riflette nella straordinaria diversità genetica dei geni R nelle piante e del MHC nei vertebrati mascellari. La logica per attribuire questi tratti alla coevoluzione deriva dall’idea di adattamento reciproco: che i cambiamenti in una specie intensificano la selezione sulla specie antagonista, e viceversa. Questa idea implica che il cambiamento in una specie è specifico delle caratteristiche biologiche dell’altra specie. Queste interazioni portano così all’alto grado di specificità comunemente osservato nelle interazioni antagonistiche tra ospiti e parassiti.

La migliore prova della coevoluzione viene dagli studi sui cambiamenti fenotipici, dove un antagonista viene testato, in diversi punti temporali, nella sua interazione con isolati dell’altro antagonista, un approccio usato con successo in batteri, animali e piante. Mentre tali esperimenti time-shift sono strumenti potenti per rilevare la coevoluzione, generalmente non rivelano il meccanismo genetico alla base del processo. Quanti geni sono coinvolti nelle interazioni ospite-parassita, e come sono organizzati nel genoma? Come interagiscono e quanto sono specifiche queste interazioni? Quale forma di selezione opera sui geni? I geni e il loro meccanismo d’azione non sono stati finora identificati per un singolo caso in natura, anche se, negli ultimi 50 anni, un certo numero di modelli genetici – sia verbali che matematici – sono stati proposti per descrivere i processi genetici di popolazione al lavoro. Questi modelli, che descrivono un’enorme diversità di scenari coevolutivi, hanno dimostrato che il processo coevolutivo è altamente dipendente, tra l’altro, dal patrimonio genetico delle popolazioni, dalla fonte della variazione genetica (mutazioni, flusso genico, ricombinazione), dalla dimensione e dalla struttura delle popolazioni coevolute, dall’architettura genetica dei geni interagenti e dai loro effetti sul fenotipo. I primi modelli si concentravano sulla genetica semplice con uno o due loci, mentre i modelli successivi incorporavano più loci o addirittura assumevano un’eredità poligenica. Da questa diversità di modelli, è diventato chiaro che le valutazioni fenotipiche sarebbero state in grado di identificare i meccanismi genetici della coevoluzione solo in casi molto semplificati e che è molto improbabile che queste valutazioni reggano in condizioni naturali. Inoltre, è diventato evidente che non sono le specie a coevolvere, ma i geni e i fenotipi associati. Questo sottolinea la necessità di identificare i geni rilevanti per capire la meccanica del processo coevolutivo.

Due dei modelli genetici più frequentemente discussi sono il modello della spazzata selettiva e il modello della Regina Rossa. La coevoluzione selettiva si basa sull’idea che le nuove mutazioni si propagano fino alla fissazione nelle popolazioni di due specie in coevoluzione. Le mutazioni possono verificarsi ovunque nel genoma e aumentare di frequenza, purché forniscano al loro portatore un vantaggio. Non è necessario che le mutazioni si alternino nelle due popolazioni. Una popolazione può avere mutazioni multiple che si spostano successivamente e, negli organismi sessuali, mutazioni multiple possono anche spostarsi verso la fissazione in diverse regioni del genoma allo stesso tempo.

Al contrario, il modello della Regina Rossa si basa su un’architettura genetica altamente specifica. Esso suggerisce che gli alleli di alcuni loci nell’ospite e nel parassita rispondono in modo diverso all’antagonista, a seconda dei genotipi che interagiscono. Un allele A nell’ospite può fornire resistenza al parassita di tipo A, ma suscettibilità al parassita di tipo B, mentre un altro allele (B) può fare l’inverso. Questa architettura genetica può impedire la fissazione di alleli su scale temporali evolutive. Poiché i parassiti rintracciano gli alleli dell’ospite che causano la suscettibilità, si verifica un processo di selezione negativa tempo-dipendente dalla frequenza, che porta a cicli nelle frequenze degli alleli. A lungo termine, questo processo bilancia la selezione e mantiene la variazione genetica nei loci della malattia. Poiché gli alleli A e B possono essere mantenuti dalla selezione bilanciata per lunghi periodi di tempo, è probabile che si evolvano, e le spazzate selettive possono sostituire A con A’ e B con B′. Per rendere le cose più complicate, la coevoluzione per spazzata selettiva e per selezione negativa dipendente dalla frequenza può avvenire allo stesso tempo in parti diverse del genoma, finché la ricombinazione genetica disaccoppia le loro dinamiche.

Anche se gli studi sperimentali e osservazionali dei fenotipi hanno riportato prove indirette per entrambi i modelli della spazzata selettiva e della Regina Rossa, è difficile dedurre i modelli genetici sottostanti dai fenotipi in coevoluzione. In effetti, data la complessità dei sistemi di coevoluzione naturale, sembra difficilmente possibile. D’altra parte, esistono poche prove genetiche dirette. In pochi casi, le mutazioni (presumibilmente coinvolte nella coevoluzione) sono state osservate diffondersi nelle popolazioni ospiti o parassite, ma non nel contesto della coevoluzione. E nessun caso di dinamica ciclica della frequenza allelica in associazione con la malattia è stato ancora osservato in ospiti e parassiti. Così, il supporto attuale per i modelli genetici di coevoluzione è piuttosto povero e per lo più circostanziale. D’altra parte, le scansioni del genoma in diversi organismi hanno scoperto che le regioni genomiche presumibilmente coinvolte nelle interazioni ospite-parassita si distinguono per essere tra i geni più rapidamente in evoluzione e più polimorfici nei genomi. Questo ha portato a un’intensa ricerca sulle cause e le conseguenze di questa diversità, anche prima che fosse chiaro un potenziale legame con le malattie parassitarie. Ora è facile trovare tali regioni anche in organismi non modello, ma nella maggior parte dei casi, possiamo solo speculare sui processi dietro i modelli osservati.

Rispondere alla domanda “Quali sono i geni alla base della coevoluzione antagonista?” ci aiuterebbe a superare questa lacuna. Per verificare i modelli genetici di coevoluzione, dobbiamo trovare i geni in entrambi gli antagonisti, capire la loro interazione (funzione), e seguire le loro dinamiche temporali. Con queste informazioni, possiamo inserire lo studio della coevoluzione in un quadro genetico di popolazione. Dopo tutto, i modelli genetici di coevoluzione sono saldamente radicati nella genetica delle popolazioni.

Come possiamo trovare i geni alla base della coevoluzione? Gli approcci tradizionali per trovare i geni associati ai fenotipi delle malattie utilizzano diverse forme di pannelli di mappatura, quadri di associazione dell’intero genoma e proteomica. Questi approcci richiedono un buon controllo di ospiti e parassiti, in quanto approcci separati sono solitamente necessari per i due antagonisti. Nuovi entusiasmanti sviluppi permettono approcci alternativi basati sulla co-genomica: lo studio simultaneo dei genomi dell’ospite e del parassita al fine di individuare le regioni genomiche che mostrano una qualche forma di associazione tra i due antagonisti. Questi approcci di recente sviluppo ci permettono di scoprire il genotipo dell’ospite dalle interazioni del genotipo del parassita e le associazioni con i fenotipi legati alla malattia con una precisione maggiore rispetto agli approcci basati solo sui genomi dell’ospite o del parassita. Inoltre, è possibile ottenere istantanee di associazioni ospite-parassita dalle popolazioni durante le loro interazioni naturali.