Întrebări deschise: care sunt genele care stau la baza coevoluției antagoniste?

Încă din 1863, Charles Darwin a lansat ideea unui model coevolutiv, sugerând că forma neobișnuită a florii orhideei Madagascar Star este rezultatul interacțiunilor sale pe termen lung cu o molie șoim foarte specializată. De atunci, multe fenomene biologice au fost atribuite coevoluției: trăsături exagerate de atac și apărare, selecție sexuală, biodiversitate și evoluția sistemului imunitar, reflectată în diversitatea genetică extraordinară a genelor R la plante și a MHC la vertebratele cu fălci. Raționamentul pentru atribuirea acestor trăsături coevoluției provine din ideea adaptării reciproce: faptul că schimbările dintr-o specie intensifică selecția asupra speciei antagoniste și viceversa. Această idee implică faptul că schimbarea la o specie este specifică trăsăturilor biologice ale celeilalte specii. Aceste interacțiuni conduc astfel la gradul ridicat de specificitate observat în mod obișnuit în interacțiunile antagoniste dintre gazde și paraziți.

Cele mai bune dovezi pentru coevoluție provin din studii privind schimbările fenotipice, în care un antagonist este testat, la diferite momente de timp, în interacțiunea sa cu izolate ale celuilalt antagonist, o abordare utilizată cu succes la bacterii, animale și plante . În timp ce astfel de experimente de decalare în timp sunt instrumente puternice pentru a detecta coevoluția, acestea nu dezvăluie, în general, mecanismul genetic care stă la baza procesului. Câte gene sunt implicate în interacțiunile gazdă-parazit și cum sunt ele organizate în genom? Cum interacționează acestea și cât de specifice sunt aceste interacțiuni? Ce formă de selecție acționează asupra genelor? Genele și mecanismul lor de acțiune nu au fost identificate până în prezent pentru niciun caz în natură, chiar dacă, în ultimii 50 de ani, au fost propuse o serie de modele genetice – atât verbale, cât și matematice – pentru a descrie procesele genetice populaționale în acțiune. Aceste modele, care descriu o diversitate enormă de scenarii de coevoluție , au arătat că procesul de coevoluție depinde în mare măsură, printre altele, de compoziția genetică a populațiilor, de sursa de variație genetică (mutații, flux genetic, recombinare), de mărimea și structura populațiilor în coevoluție, precum și de arhitectura genetică a genelor care interacționează și de efectele acestora asupra fenotipului. Modelele anterioare se concentrau pe o genetică simplă cu unul sau doi loci, în timp ce modelele ulterioare au încorporat mai mulți loci sau chiar au presupus o moștenire poligenică. Din această diversitate de modele, a devenit clar că evaluările fenotipice ar fi capabile să identifice mecanismele genetice ale coevoluției doar în cazuri foarte simplificate și că este foarte puțin probabil ca aceste evaluări să reziste în condiții naturale. În mod important, a devenit, de asemenea, evident faptul că nu speciile sunt cele care coevolează, ci genele și fenotipurile asociate acestora. Acest lucru subliniază necesitatea de a identifica genele relevante pentru a înțelege mecanismul procesului de coevoluție.

Două dintre cele mai frecvent discutate modele genetice sunt modelul de măturare selectivă și modelul Red Queen . Coevoluția prin măturare selectivă se bazează pe ideea că noile mutații se fixează prin măturare în populațiile a două specii în coevoluție. Mutațiile pot apărea oriunde în genom și pot crește în frecvență, atâta timp cât oferă un avantaj purtătorului lor. Nu este necesar ca mutațiile să alterneze în cele două populații. O populație poate avea mai multe mutații care să măture succesiv și, la organismele sexuate, mai multe mutații pot chiar să măture până la fixare în diferite regiuni ale genomului în același timp.

În schimb, modelul Red Queen se bazează pe o arhitectură genetică extrem de specifică. Acesta sugerează că alelele de la câțiva loci din gazdă și din parazit răspund diferit la antagonist, în funcție de genotipurile care interacționează. O alelă A din gazdă poate oferi rezistență la tipul A de parazit, dar susceptibilitate la tipul B de parazit, în timp ce o altă alelă (B) poate face invers. Această arhitectură genetică poate împiedica fixarea alelelor pe scări de timp evolutive. Deoarece paraziții urmăresc alelele gazdei care cauzează susceptibilitate, are loc un proces de selecție negativă dependentă de frecvență decalată în timp, ceea ce duce la cicluri în frecvențele alelelor. Pe termen lung, acest proces echilibrează selecția și menține variația genetică la locii bolii. Deoarece alelele A și B pot fi menținute prin echilibrarea selecției pentru perioade lungi de timp, este probabil ca acestea să evolueze, iar modificările selective pot înlocui A cu A’ și B cu B′. Pentru a complica și mai mult lucrurile, coevoluția prin măturare selectivă și prin selecție negativă dependentă de frecvență poate avea loc în același timp în părți diferite ale genomului, atâta timp cât recombinarea genetică decuplează dinamica lor.

Deși studiile experimentale și de observare a fenotipurilor au raportat dovezi indirecte atât pentru modelul măturației selective, cât și pentru cel al Reginei Roșii, este dificil să se deducă modelele genetice care stau la baza fenotipurilor în coevoluție. Într-adevăr, având în vedere complexitatea sistemelor de coevoluție naturală, acest lucru pare cu greu posibil. Pe de altă parte, există puține dovezi genetice directe. În câteva cazuri, s-a observat că mutațiile (presupuse a fi implicate în coevoluție) s-au răspândit în populațiile gazdă sau parazitare, dar nu în contextul coevoluției. Și niciun caz de dinamică ciclică a frecvenței alelelor în asociere cu boala nu a fost încă observat la gazde și paraziți. Astfel, sprijinul actual pentru modelele genetice de coevoluție este mai degrabă slab și în mare parte circumstanțial. Pe de altă parte, scanările genomului la diverse organisme au scos la iveală faptul că regiunile genomice presupuse a fi implicate în interacțiunile gazdă-parazit se evidențiază ca fiind printre genele cu cea mai rapidă evoluție și cele mai polimorfice din genomuri. Acest lucru a dus la o cercetare intensivă a cauzelor și consecințelor acestei diversități, chiar înainte de a fi evidentă o legătură potențială cu bolile parazitare. În prezent, este ușor de găsit astfel de regiuni chiar și la organismele non-model, dar în majoritatea cazurilor, putem doar specula cu privire la procesele care stau la baza modelelor observate.

Răspunzând la întrebarea „Care sunt genele care stau la baza coevoluției antagoniste?” ne-ar ajuta să depășim acest neajuns. Pentru a verifica modelele genetice ale coevoluției, trebuie să găsim genele la ambii antagoniști, să înțelegem interacțiunea (funcția) lor și să urmărim dinamica lor temporală. Cu aceste informații, putem plasa studiul coevoluției într-un cadru genetic populațional. La urma urmei, modelele genetice de coevoluție sunt ferm înrădăcinate în genetica populațiilor.

Cum putem găsi genele care stau la baza coevoluției? Abordările tradiționale pentru găsirea genelor asociate cu fenotipurile bolilor utilizează diverse forme de panouri de cartografiere, cadre de asociere a întregului genom și proteomică. Aceste abordări necesită un bun control al gazdelor și al paraziților, deoarece, de obicei, sunt necesare abordări separate pentru cei doi antagoniști. Noile evoluții incitante permit abordări alternative bazate pe co-genomică – studiul simultan al genomului gazdei și al parazitului pentru a localiza regiunile genomice care prezintă o anumită formă de asociere între cei doi antagoniști . Aceste abordări nou dezvoltate ne permit să descoperim interacțiunile dintre genotipul gazdei și genotipul parazitului și asocierile cu fenotipurile legate de boală cu o precizie mai mare decât abordările bazate doar pe genomul gazdei sau al parazitului. În plus, este posibil să se obțină instantanee ale asociațiilor gazdă-parazit de la populații în timpul interacțiunilor lor naturale .