Otevřené otázky: jaké geny jsou základem antagonistické koevoluce?

Již v roce 1863 Charles Darwin vyslovil myšlenku koevolučního modelu, když předpokládal, že neobvyklý tvar květu madagaskarské hvězdnice je výsledkem její dlouhodobé interakce s vysoce specializovaným jestřábníkem. Od té doby se koevoluci připisuje mnoho biologických jevů: přehnané útočné a obranné znaky, pohlavní výběr, biodiverzita a evoluce imunitního systému, která se odráží v mimořádné genetické rozmanitosti R-genů u rostlin a MHC u čelistnatých obratlovců. Důvody pro přisuzování těchto znaků koevoluci vycházejí z myšlenky reciproční adaptace: že změny u jednoho druhu zesilují selekci u antagonistického druhu a naopak. Tato myšlenka předpokládá, že změna u jednoho druhu je specifická pro biologické vlastnosti druhého druhu. Tyto interakce tak vedou k vysokému stupni specifičnosti běžně pozorovanému u antagonistických interakcí mezi hostiteli a parazity.

Nejlepší důkaz koevoluce pochází ze studií fenotypových změn, kdy je jeden antagonista testován v různých časových bodech v interakci s izoláty druhého antagonisty, což je přístup úspěšně používaný u bakterií, zvířat a rostlin . Takové experimenty s časovým posunem jsou sice účinným nástrojem k odhalení koevoluce, ale obvykle neodhalují genetický mechanismus, který je základem tohoto procesu. Kolik genů se podílí na interakcích mezi hostitelem a parazitem a jak jsou uspořádány v genomu? Jak se vzájemně ovlivňují a jak specifické jsou tyto interakce? Jaká forma selekce působí na geny? Geny a mechanismus jejich působení nebyly dosud identifikovány ani pro jeden případ v přírodě, přestože v posledních 50 letech byla předložena řada genetických modelů – slovních i matematických -, které popisují genetické procesy v populaci. Tyto modely, které popisují obrovskou rozmanitost koevolučních scénářů , ukázaly, že koevoluční proces je mimo jiné velmi závislý na genetickém složení populací, zdroji genetické variability (mutace, tok genů, rekombinace), velikosti a struktuře koevolučních populací a genetické architektuře interagujících genů a jejich vlivu na fenotyp. Dřívější modely se zaměřovaly na jednoduchou genetiku s jedním nebo dvěma lokusy, zatímco pozdější modely zahrnovaly více lokusů nebo dokonce předpokládaly polygenní dědičnost. Z této rozmanitosti modelů vyplynulo, že fenotypová hodnocení budou schopna identifikovat genetické mechanismy koevoluce pouze ve velmi zjednodušených případech a že je velmi nepravděpodobné, že by tato hodnocení obstála v přírodních podmínkách. Důležité také bylo, že se ukázalo, že koevoluci neprovádějí druhy, ale geny a s nimi spojené fenotypy. To zdůrazňuje potřebu identifikace příslušných genů pro pochopení mechanismu koevolučního procesu.

Dva z nejčastěji diskutovaných genetických modelů jsou model selekčního zametání a model Červené královny . Selective sweep koevoluce je založena na myšlence, že v populacích dvou koevolučních druhů dochází k fixaci nových mutací. Mutace se mohou vyskytovat kdekoli v genomu a zvyšovat svou frekvenci, pokud poskytují svému nositeli výhodu. Mutace se nemusí v obou populacích střídat. V populaci se může postupně vyskytovat více mutací a u pohlavních organismů může dokonce dojít k fixaci více mutací v různých oblastech genomu současně.

Model Červené královny je naopak založen na vysoce specifické genetické architektuře. Předpokládá, že alely v několika málo lokusech u hostitele a u parazita reagují na antagonistu odlišně v závislosti na interagujících genotypech. Alela A v hostiteli může zajišťovat odolnost vůči parazitovi typu A, ale vnímavost vůči parazitovi typu B, zatímco jiná alela (B) může působit opačně. Tato genetická architektura může zabránit fixaci alel v evolučním časovém měřítku. Protože parazité sledují alely hostitele, které způsobují vnímavost, dochází k procesu časově zpožděné negativní selekce závislé na frekvenci, což vede k cyklům ve frekvencích alel. V dlouhodobém horizontu tento proces vyrovnává selekci a udržuje genetickou variabilitu v lokusech choroby. Vzhledem k tomu, že alely A a B mohou být udržovány vyrovnávajícím výběrem po dlouhou dobu, je pravděpodobné, že se budou vyvíjet, a selekční zásahy mohou nahradit A alelou A‘ a B alelou B‘. Aby to bylo ještě komplikovanější, ke koevoluci selekčním sweepem a negativní selekcí závislou na frekvenci může docházet současně v různých částech genomu, pokud genetická rekombinace odděluje jejich dynamiku.

Ačkoli experimentální a pozorovací studie fenotypů uvádějí nepřímé důkazy pro modely selekčního sweepu i Červené královny, je obtížné odvodit základní genetické modely z koevoluce fenotypů. Vzhledem ke složitosti přirozeně koevolučních systémů se to skutečně zdá být stěží možné. Na druhou stranu existuje jen málo přímých genetických důkazů. V několika případech bylo pozorováno, že se mutace (údajně zapojené do koevoluce) šíří v populacích hostitelů nebo parazitů, ale ne v kontextu koevoluce. A žádný případ cyklické dynamiky frekvence alel v souvislosti s nemocí nebyl dosud u hostitelů a parazitů pozorován. Současná podpora genetických modelů koevoluce je tedy poměrně chudá a většinou nepřímá. Na druhou stranu skenování genomů u různých organismů odhalilo, že genomové oblasti, které se pravděpodobně podílejí na interakcích mezi hostitelem a parazitem, vynikají jako jedny z nejrychleji se vyvíjejících a nejvíce polymorfních genů v genomech. To vedlo k intenzivnímu výzkumu příčin a důsledků této rozmanitosti, a to ještě předtím, než byla jasná potenciální souvislost s parazitárními chorobami. Nyní je snadné najít takové oblasti i u nemodelových organismů, ale ve většině případů můžeme pouze spekulovat o procesech, které stojí za pozorovanými vzorci.

Zodpovězení otázky „Jaké geny stojí za antagonistickou koevolucí?“ by nám pomohlo tento nedostatek překonat. K ověření genetických modelů koevoluce potřebujeme najít geny u obou antagonistů, pochopit jejich interakci (funkci) a sledovat jejich časovou dynamiku. S těmito informacemi můžeme studium koevoluce zasadit do populačně genetického rámce. Koneckonců genetické modely koevoluce jsou pevně zakořeněny v populační genetice.

Jak můžeme najít geny, které jsou základem koevoluce? Tradiční přístupy k hledání genů spojených s fenotypy chorob využívají různé formy mapovacích panelů, asociační rámce celého genomu a proteomiku. Tyto přístupy vyžadují dobrou kontrolu hostitelů a parazitů, protože pro tyto dva antagonisty jsou obvykle nutné oddělené přístupy. Vzrušující nový vývoj umožňuje alternativní přístupy založené na ko-genomice – současném studiu genomů hostitele a parazita s cílem lokalizovat genomické oblasti, které vykazují určitou formu asociace mezi oběma antagonisty . Tyto nově vyvinuté přístupy umožňují odhalit interakce mezi genotypem hostitele a genotypem parazita a asociace s fenotypy souvisejícími s onemocněním s větší přesností než přístupy založené pouze na genomu hostitele nebo parazita. Kromě toho je možné získat snímky asociací mezi hostitelem a parazitem z populací během jejich přirozených interakcí .

.