Open questions: What are the genes underlying antagonistic coevolution?
1863年にはすでに、チャールズ・ダーウィンはマダガスカルスターランの花の珍しい形が、高度に特殊なタカの蛾との長期間の相互作用の結果であることを示唆し、共進化モデルのアイデアを提起していた。 それ以来、攻撃と防御の誇張された形質、性淘汰、生物多様性、植物のR遺伝子や顎脊椎動物のMHCの異常な遺伝的多様性に反映される免疫系の進化など、多くの生物現象が共進化に起因するとされるようになった。 これらの形質が共進化であるとする根拠は、相互適応の考え方にある。すなわち、ある種の変化が拮抗する種の選択を強化し、その逆もまたしかりである。 この考え方は、一方の種の変化が他方の種の生物学的特徴に特異的であることを意味している。 このような相互作用により、宿主と寄生虫の拮抗的相互作用でよく観察される高度な特異性がもたらされる。
共進化に関する最も優れた証拠は、表現型の変化に関する研究から来ており、一方の拮抗薬を異なる時点で、もう一方の拮抗薬の分離体と作用させてテストするという、細菌、動物、植物でうまく使われているアプローチです。 このようなタイムシフト実験は、共進化を検出するための強力なツールであるが、一般に、このプロセスの根底にある遺伝的メカニズムを明らかにすることはできない。 宿主と寄生虫の相互作用に関与する遺伝子はいくつあり、それらはゲノム上でどのように構成されているのでしょうか？ また、これらの遺伝子はどのように相互作用し、その相互作用はどの程度特異的なのか？ どのような形で遺伝子に淘汰が働くのか？ この50年間、集団遺伝学的プロセスを記述するために、言葉や数学的な遺伝学モデルが数多く発表されてきたが、自然界では今のところ、遺伝子とその作用機構は1例も明らかにされていない。 これらのモデルによって、共進化のシナリオは、集団の遺伝的構成、遺伝的変異の原因（突然変異、遺伝子流、組み換え）、共進化する集団の規模と構造、相互作用する遺伝子の遺伝的構造とその表現型に対する影響などに大きく依存することが明らかにされた。 初期のモデルは1つか2つの遺伝子座を持つ単純な遺伝学に焦点を当てたが、後期のモデルはより多くの遺伝子座を取り入れたり、多遺伝子遺伝を仮定したりもした。 このような多様なモデルから、表現型評価では非常に単純化されたケースでしか共進化の遺伝的メカニズムを特定できず、自然条件下ではその評価はとても成り立たないことが明らかとなった。 また、重要なことは、共進化するのは種ではなく、遺伝子とそれに関連する表現型であることが明らかになったことである。 このことは、共進化の仕組みを理解するために、関連する遺伝子を特定する必要性を強調している。
より頻繁に議論される遺伝子モデルの2つは、選択的掃引モデルとレッドクイーン・モデルである。 選択的掃引型共進化は、新しい突然変異が2つの共進化する種の集団に掃引されて固定化されるという考えに基づいている。 突然変異は、その持ち主に有利である限り、ゲノムのどこで起こってもよく、頻度も増加する。 突然変異は2つの集団で交互に起こる必要はない。 有性生物では、複数の突然変異がゲノムの異なる領域で同時に固定化することさえある。 宿主と寄生虫のいくつかの遺伝子座の対立遺伝子が、相互作用する遺伝子型によって、拮抗薬に対して異なる反応を示すことを示唆している。 宿主の対立遺伝子Aは寄生虫A型には抵抗性を示すが、寄生虫B型には感受性を示し、別の対立遺伝子（B）はその逆を行う可能性がある。 このような遺伝的構造により、進化の時間スケールで対立遺伝子が固定化されることを防ぐことができる。 寄生虫は寄生しやすい宿主の対立遺伝子を追跡するため、時間差で負の周波数依存淘汰が起こり、対立遺伝子頻度に周期性が生じる。 長期的には、この過程が淘汰のバランスをとり、疾患遺伝子座の遺伝的変異を維持する。 対立遺伝子AとBは長期間にわたって淘汰の均衡を保つことができるため、進化する可能性が高く、選択的掃引によってAがA’に、BがB′に置き換わるかもしれない。 さらに複雑なことに、遺伝的組換えが両者の動態を切り離す限り、選択的掃引による共進化と負の頻度依存選択による共進化がゲノムの異なる部分で同時に起こることもある。
表現型の実験・観察研究では選択的掃引モデルと赤の女王モデルの両方の間接証拠が報告されているが、共進化する表現型からその基礎となる遺伝モデルを推定するのは困難である。 実際，自然界に存在する共進化システムの複雑さを考えると，ほとんど不可能と思われる。 一方、直接的な遺伝学的証拠はほとんど存在しない。 いくつかのケースでは、突然変異（共進化に関与していると思われる）が宿主または寄生虫の集団で広がることが観察されているが、共進化という文脈では観察されていない。 また、病気と関連して対立遺伝子頻度の循環的な動態が宿主や寄生虫で観察された例はまだない。 このように、共進化の遺伝学的モデルに対する現在の裏付けはかなり乏しく、ほとんどが状況証拠に基づくものである。 一方、多様な生物のゲノムスキャンにより、宿主と寄生虫の相互作用に関与すると推定されるゲノム領域は、ゲノム中で最も急速に進化し、最も多型の多い遺伝子の一つとして際立っていることが明らかにされた。 このため、寄生虫病との関連が明らかになる以前から、この多様性の原因と結果について集中的な研究が行われてきた。 現在ではモデル生物以外でもそのような領域を見つけることは容易ですが、ほとんどの場合、観察されたパターンの背後にあるプロセスについて推測することしかできません。
「拮抗的共進化の基盤となる遺伝子は何か」という問いに答えることは、この欠点の克服に役立つと思われます。 共進化の遺伝子モデルを検証するためには、拮抗する両者の遺伝子を見つけ、その相互作用（機能）を理解し、その時間的な動態を追う必要がある。 これらの情報があれば、共進化の研究を集団遺伝学の枠組みの中に位置づけることができる。 結局のところ、共進化の遺伝学的モデルは集団遺伝学にしっかりと根ざしているのです。
共進化の基礎となる遺伝子はどのようにして見つけることができるのでしょうか。 疾患の表現型に関連する遺伝子を見つけるための従来のアプローチは、多様な形態のマッピングパネル、全ゲノム関連フレームワーク、およびプロテオミクスを使用している。 これらのアプローチは、宿主と寄生虫をうまくコントロールする必要があり、通常、2つの拮抗するものに対して別々のアプローチが必要である。 しかし、近年、コゲノミクス（宿主と寄生虫のゲノムを同時に研究し、両者の間に何らかの関連を示すゲノム領域を探し出す方法）に基づく新たなアプローチが可能になりました。 これらの新しいアプローチにより、宿主ゲノムと寄生虫ゲノムの相互作用や疾患関連表現型との関連を、宿主または寄生虫ゲノムのみに基づくアプローチよりも高い精度で明らかにすることができるようになりました。 さらに、宿主と寄生虫の相互作用のスナップショットを、自然界で相互作用している集団から得ることも可能である
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