Pytania otwarte: jakie geny leżą u podstaw koewolucji antagonistycznej?

Już w 1863 roku Karol Darwin wysunął pomysł modelu koewolucyjnego, sugerując, że niezwykły kształt kwiatu orchidei Gwiazda Madagaskaru jest wynikiem jej długotrwałych interakcji z wysoce wyspecjalizowaną ćmą jastrzębiatą. Od tego czasu wiele zjawisk biologicznych przypisano koewolucji: przesadne cechy ofensywy i obrony, dobór płciowy, bioróżnorodność i ewolucja układu odpornościowego, odzwierciedlona w niezwykłej różnorodności genetycznej genów R u roślin i MHC u kręgowców szczękowych. Uzasadnienie dla przypisania tych cech koewolucji wywodzi się z idei wzajemnej adaptacji: zmiany w jednym gatunku intensyfikują selekcję na gatunku antagonistycznym i vice versa. Idea ta zakłada, że zmiany w jednym gatunku są specyficzne dla biologicznych cech drugiego gatunku. Interakcje te prowadzą zatem do wysokiego stopnia specyficzności powszechnie obserwowanego w antagonistycznych interakcjach między żywicielami i pasożytami.

Najlepsze dowody na koewolucję pochodzą z badań nad zmianami fenotypowymi, w których jeden antagonista jest testowany, w różnych punktach czasowych, w jego interakcji z izolatami drugiego antagonisty, podejście z powodzeniem stosowane w bakteriach, zwierzętach i roślinach . Podczas gdy takie eksperymenty z przesunięciem czasowym są potężnymi narzędziami do wykrywania koewolucji, zazwyczaj nie ujawniają mechanizmu genetycznego leżącego u podstaw tego procesu. Jak wiele genów jest zaangażowanych w interakcje gospodarz-pasożyt i jak są one zorganizowane w genomie? W jaki sposób oddziałują na siebie i jak specyficzne są to interakcje? Jaka forma selekcji działa na te geny? Geny i ich mechanizm działania nie zostały jak dotąd zidentyfikowane dla pojedynczego przypadku w przyrodzie, mimo że w ciągu ostatnich 50 lat przedstawiono wiele modeli genetycznych – zarówno słownych, jak i matematycznych – w celu opisania działających procesów genetycznych populacji. Modele te, które opisują ogromną różnorodność scenariuszy koewolucyjnych, wykazały, że proces koewolucyjny jest wysoce zależny, między innymi, od składu genetycznego populacji, źródła zmienności genetycznej (mutacje, przepływ genów, rekombinacja), wielkości i struktury koewoluujących populacji oraz architektury genetycznej oddziałujących genów i ich wpływu na fenotyp. Wcześniejsze modele skupiały się na prostej genetyce z jednym lub dwoma loci, podczas gdy późniejsze modele zawierały więcej loci lub nawet zakładały dziedziczenie poligenowe. Z tej różnorodności modeli stało się jasne, że oceny fenotypowe będą w stanie zidentyfikować genetyczne mechanizmy koewolucji tylko w bardzo uproszczonych przypadkach i że jest bardzo mało prawdopodobne, by te oceny utrzymały się w warunkach naturalnych. Co ważne, stało się również oczywiste, że to nie gatunki podlegają koewolucji, ale geny i związane z nimi fenotypy. Podkreśla to potrzebę identyfikacji odpowiednich genów, aby zrozumieć mechanikę procesu koewolucyjnego.

Dwa z częściej omawianych modeli genetycznych to model selektywnego wymiatania i model Czerwonej Królowej . Selektywne zamiatanie koewolucji jest oparte na idei, że nowe mutacje zamiatają do utrwalenia w populacjach dwóch współewoluujących gatunków. Mutacje mogą występować w dowolnym miejscu genomu i zwiększać swoją częstotliwość, tak długo jak zapewniają one przewagę ich nosicielowi. Mutacje nie muszą występować naprzemiennie w dwóch populacjach. Populacja może mieć wiele mutacji zamiatających kolejno, a w organizmach płciowych, wiele mutacji może nawet zamiatać do utrwalenia w różnych regionach genomu w tym samym czasie.

W przeciwieństwie do tego, model Czerwonej Królowej jest oparty na wysoce specyficznej architekturze genetycznej. Sugeruje on, że allele w kilku loci u żywiciela i pasożyta różnie reagują na antagonistę, w zależności od oddziałujących genotypów. Allel A u żywiciela może zapewniać odporność na pasożyta typu A, ale podatność na pasożyta typu B, podczas gdy inny allel (B) może działać odwrotnie. Taka architektura genetyczna może zapobiegać utrwalaniu się alleli w ewolucyjnych skalach czasowych. Ponieważ pasożyty śledzą allele gospodarza, które powodują podatność, zachodzi proces opóźnionej w czasie negatywnej selekcji zależnej od częstotliwości, co prowadzi do cyklicznych zmian w częstotliwości alleli. W dłuższym okresie czasu proces ten równoważy selekcję i utrzymuje zmienność genetyczną w loci choroby. Ponieważ allele A i B mogą być utrzymywane przez długi okres czasu przez równoważącą się selekcję, istnieje prawdopodobieństwo, że będą ewoluować, a selektywne przemiatanie może zastąpić A przez A’ i B przez B′. Aby uczynić rzeczy bardziej skomplikowanymi, koewolucja przez selektywne zamiatanie i przez negatywną selekcję zależną od częstotliwości może zachodzić w tym samym czasie w różnych częściach genomu, tak długo jak rekombinacja genetyczna rozłącza ich dynamikę.

Chociaż eksperymentalne i obserwacyjne badania fenotypów zgłosiły pośrednie dowody zarówno na model selektywnego zamiatania jak i model Czerwonej Królowej, trudno jest wywnioskować leżące u podstaw modele genetyczne z koewoluujących fenotypów. Rzeczywiście, biorąc pod uwagę złożoność naturalnie ewoluujących systemów, nie wydaje się to możliwe. Z drugiej strony, istnieje niewiele bezpośrednich dowodów genetycznych. W kilku przypadkach zaobserwowano, że mutacje (rzekomo zaangażowane w koewolucję) rozprzestrzeniają się w populacjach żywicieli lub pasożytów, ale nie w kontekście koewolucji. I żaden przypadek cyklicznej dynamiki częstotliwości alleli w powiązaniu z chorobą nie został jeszcze zaobserwowany u żywicieli i pasożytów. Tak więc, obecne wsparcie dla genetycznych modeli koewolucji jest raczej słabe i głównie poszlakowe. Z drugiej strony, skany genomów różnych organizmów ujawniły, że regiony genomowe przypuszczalnie zaangażowane w interakcje pasożyt-żywiciel wyróżniają się jako jedne z najszybciej ewoluujących i najbardziej polimorficznych genów w genomach. Doprowadziło to do intensywnych badań nad przyczynami i konsekwencjami tej różnorodności, jeszcze zanim potencjalny związek z chorobami pasożytniczymi stał się jasny. Obecnie łatwo jest znaleźć takie regiony nawet u organizmów niemodelowych, ale w większości przypadków możemy jedynie spekulować na temat procesów stojących za obserwowanymi wzorcami.

Odpowiedź na pytanie „Jakie geny leżą u podstaw koewolucji antagonistycznej?” pomogłaby nam przezwyciężyć to niedociągnięcie. Aby zweryfikować genetyczne modele koewolucji, musimy znaleźć geny u obu antagonistów, zrozumieć ich interakcję (funkcję) i śledzić ich czasową dynamikę. Mając te informacje, możemy umieścić badania nad koewolucją w ramach genetyki populacyjnej. Po tym wszystkim, genetyczne modele koewolucji są mocno zakorzenione w genetyce populacyjnej.

Jak możemy znaleźć geny leżące u podstaw koewolucji? Tradycyjne podejścia do poszukiwania genów związanych z fenotypami chorobowymi wykorzystują różne formy paneli mapujących, ram asocjacyjnych całego genomu i proteomiki. Podejścia te wymagają dobrej kontroli nad żywicielami i pasożytami, ponieważ dla tych dwóch antagonistów zwykle konieczne są oddzielne podejścia. Ekscytujące nowe osiągnięcia pozwalają na alternatywne podejścia oparte na ko-genomice – jednoczesnym badaniu genomów żywiciela i pasożyta w celu zlokalizowania regionów genomowych, które wykazują pewną formę asocjacji pomiędzy dwoma antagonistami. Te nowo opracowane podejścia umożliwiają nam odkrycie interakcji genotypu żywiciela z genotypem pasożyta oraz związków z fenotypami związanymi z chorobą z większą precyzją niż podejścia oparte tylko na genomach żywiciela lub pasożyta. Ponadto, możliwe jest uzyskanie migawek związków pasożyt-żywiciel z populacji podczas ich naturalnych interakcji .