Open vragen: wat zijn de genen die ten grondslag liggen aan antagonistische co-evolutie?

Al in 1863 opperde Charles Darwin het idee van een co-evolutiemodel, door te suggereren dat de ongewone vorm van de bloem van de Madagascar Sterorchidee het resultaat was van haar langdurige interacties met een zeer gespecialiseerde havik mot. Sindsdien zijn veel biologische verschijnselen toegeschreven aan co-evolutie: overdreven kenmerken van aanval en verdediging, seksuele selectie, biodiversiteit, en evolutie van het immuunsysteem, weerspiegeld in de buitengewone genetische diversiteit van R-genen bij planten en van het MHC bij gewervelde kaakdieren. De reden om deze eigenschappen toe te schrijven aan co-evolutie komt voort uit het idee van wederkerige aanpassing: dat veranderingen in de ene soort de selectie op de antagonistische soort intensiveren, en vice versa. Dit idee impliceert dat veranderingen in de ene soort specifiek zijn voor biologische kenmerken van de andere soort. Deze interacties leiden dus tot de hoge mate van specificiteit die gewoonlijk wordt waargenomen in antagonistische interacties tussen gastheren en parasieten.

Het beste bewijs voor co-evolutie komt uit studies naar fenotypische veranderingen, waarbij een antagonist op verschillende tijdstippen wordt getest in zijn interactie met isolaten van de andere antagonist, een aanpak die met succes wordt toegepast bij bacteriën, dieren en planten. Hoewel dergelijke tijdverschuivingsexperimenten krachtige instrumenten zijn om co-evolutie op te sporen, onthullen zij over het algemeen niet het genetische mechanisme dat aan het proces ten grondslag ligt. Hoeveel genen zijn betrokken bij gastheer-parasiet interacties, en hoe zijn ze georganiseerd in het genoom? Hoe werken zij op elkaar in, en hoe specifiek zijn deze interacties? Welke vorm van selectie werkt op de genen? De genen en hun werkingsmechanismen zijn tot dusver voor geen enkel geval in de natuur geïdentificeerd, ook al zijn er in de laatste 50 jaar een aantal genetische modellen – zowel verbale als mathematische – opgesteld om de genetische processen van de populatie te beschrijven die aan het werk zijn. Deze modellen, die een enorme diversiteit aan co-evolutiescenario’s beschrijven, hebben aangetoond dat het co-evolutieproces sterk afhankelijk is van, onder andere, de genetische samenstelling van de populaties, de bron van genetische variatie (mutaties, genenstroom, recombinatie), de grootte en structuur van de co-evoluerende populaties, en de genetische architectuur van de op elkaar inwerkende genen en hun effecten op het fenotype. Eerdere modellen concentreerden zich op eenvoudige genetica met één of twee loci, terwijl latere modellen meer loci integreerden of zelfs uitgingen van polygene overerving. Uit deze diversiteit van modellen werd duidelijk dat fenotypische beoordelingen alleen in zeer vereenvoudigde gevallen in staat zouden zijn de genetische mechanismen van co-evolutie te identificeren en dat het zeer onwaarschijnlijk is dat deze beoordelingen onder natuurlijke omstandigheden stand zullen houden. Belangrijk is ook dat duidelijk is geworden dat het niet de soorten zijn die co-evolueren, maar de genen en hun geassocieerde fenotypes. Dit benadrukt de noodzaak om de relevante genen te identificeren om de mechanismen van het co-evolutieve proces te begrijpen.

Twee van de meer besproken genetische modellen zijn het selective sweep model en het Red Queen model . Selective sweep co-evolutie is gebaseerd op het idee dat nieuwe mutaties zich vastzetten in de populaties van twee co-evoluerende soorten. Mutaties kunnen overal in het genoom voorkomen en in frequentie toenemen, zolang zij hun drager een voordeel bieden. Mutaties hoeven elkaar niet af te wisselen in de twee populaties. In een populatie kunnen meerdere mutaties opeenvolgend optreden, en in seksuele organismen kunnen zelfs meerdere mutaties tegelijkertijd in verschillende regio’s van het genoom tot fixatie leiden.

Het Rode Koningin-model daarentegen is gebaseerd op een zeer specifieke genetische architectuur. Het suggereert dat allelen op een paar loci in de gastheer en in de parasiet verschillend reageren op de antagonist, afhankelijk van de interagerende genotypen. Een allel A in de gastheer kan resistent zijn tegen parasiet type A, maar vatbaar voor parasiet type B, terwijl een ander allel (B) het omgekeerde kan doen. Deze genetische architectuur kan de fixatie van allelen over evolutionaire tijdschalen verhinderen. Omdat parasieten de gastheer allelen opsporen die vatbaarheid veroorzaken, treedt er een proces op van tijd-vertraagde negatieve frequentie-afhankelijke selectie, wat leidt tot cycli in allelfrequenties. Op de lange termijn brengt dit proces de selectie in evenwicht en houdt het de genetische variatie op de ziekteloci in stand. Aangezien de allelen A en B door evenwichtsselectie gedurende lange perioden in stand kunnen worden gehouden, is het waarschijnlijk dat zij evolueren, en selectieve sweeps kunnen A door A’ en B door B′ vervangen. Om het nog ingewikkelder te maken, kan co-evolutie door selective sweep en door negatieve frequentie-afhankelijke selectie tegelijkertijd plaatsvinden in verschillende delen van het genoom, zolang genetische recombinatie hun dynamiek ontkoppelt.

Hoewel experimentele en observationele studies van fenotypen indirect bewijs hebben gerapporteerd voor zowel het selective sweep als het Red Queen model, is het moeilijk om de onderliggende genetische modellen af te leiden uit co-evoluerende fenotypen. Gezien de complexiteit van natuurlijk co-evoluerende systemen lijkt dit zelfs nauwelijks mogelijk. Aan de andere kant bestaat er weinig direct genetisch bewijs. In een paar gevallen is waargenomen dat mutaties (die betrokken zouden zijn bij co-evolutie) zich verspreiden in gastheer- of parasietpopulaties, maar niet in de context van co-evolutie. En er is nog geen enkel geval van cyclische allel-frequentie-dynamiek in samenhang met ziekte waargenomen bij gastheren en parasieten. De huidige steun voor de genetische modellen van co-evolutie is dus nogal mager en vooral indirect. Anderzijds hebben genoomscans in diverse organismen aan het licht gebracht dat genomische regio’s die vermoedelijk betrokken zijn bij gastheer-parasiet interacties, tot de snelst evoluerende en meest polymorfe genen in de genomen behoren. Dit heeft geleid tot intensief onderzoek naar de oorzaken en gevolgen van deze diversiteit, zelfs voordat een potentieel verband met parasitaire ziekten duidelijk was. Het is nu gemakkelijk om dergelijke regio’s te vinden, zelfs in niet-modelorganismen, maar in de meeste gevallen kunnen we alleen maar speculeren over de processen achter de waargenomen patronen.

Antwoorden op de vraag “Wat zijn de genen die ten grondslag liggen aan antagonistische co-evolutie?” zou ons helpen om deze tekortkoming te overwinnen. Om genetische modellen van co-evolutie te verifiëren, moeten we de genen in beide antagonisten vinden, hun interactie (functie) begrijpen, en hun temporele dynamiek volgen. Met deze informatie kunnen wij de studie van co-evolutie in een populatiegenetisch kader plaatsen. Immers, genetische modellen van co-evolutie zijn stevig geworteld in de populatiegenetica.

Hoe kunnen we de genen vinden die ten grondslag liggen aan co-evolutie? Traditionele benaderingen voor het vinden van genen die geassocieerd zijn met ziektefenotypen maken gebruik van diverse vormen van mapping panels, whole genome association frameworks, en proteomics. Deze benaderingen vereisen een goede controle van gastheren en parasieten, aangezien afzonderlijke benaderingen meestal noodzakelijk zijn voor de twee antagonisten. Spannende nieuwe ontwikkelingen maken alternatieve benaderingen mogelijk, gebaseerd op co-genomics – de gelijktijdige studie van het genoom van gastheer en parasiet om genomische regio’s te lokaliseren die een vorm van associatie tussen de twee antagonisten vertonen. Deze nieuw ontwikkelde benaderingen stellen ons in staat interacties tussen gastheergenotype en parasietgenotype en associaties met ziektegerelateerde fenotypes met een grotere precisie te ontdekken dan benaderingen die alleen gebaseerd zijn op de genomen van de gastheer of de parasiet. Bovendien is het mogelijk om momentopnames te verkrijgen van gastheer-parasiet associaties van populaties tijdens hun natuurlijke interacties.