Öppna frågor: Vilka gener ligger till grund för antagonistisk samevolution?

Sedan 1863 tog Charles Darwin upp idén om en samevolutionär modell och föreslog att den ovanliga formen på blomman av orkidén Madagascar Star Orchid var ett resultat av dess långvariga interaktioner med en högt specialiserad hökfjäril. Sedan dess har många biologiska fenomen tillskrivits samevolutionen: överdrivna egenskaper för anfall och försvar, sexuellt urval, biologisk mångfald och utveckling av immunsystemet, vilket återspeglas i den extraordinära genetiska mångfalden av R-gener hos växter och av MHC hos käkande ryggradsdjur. Motiveringen för att tillskriva samevolutionen dessa egenskaper beror på idén om ömsesidig anpassning: att förändringar hos en art intensifierar urvalet hos den antagonistiska arten, och vice versa. Denna idé innebär att förändringar hos en art är specifika för biologiska egenskaper hos den andra arten. Dessa interaktioner leder således till den höga grad av specificitet som ofta observeras i antagonistiska interaktioner mellan värddjur och parasiter.

Det bästa beviset för samevolution kommer från studier av fenotypiska förändringar, där en antagonist testas, vid olika tidpunkter, i sin interaktion med isolat av den andra antagonisten, ett tillvägagångssätt som framgångsrikt används hos bakterier, djur och växter . Även om sådana tidsförskjutningsexperiment är kraftfulla verktyg för att upptäcka samevolution, avslöjar de i allmänhet inte den genetiska mekanism som ligger till grund för processen. Hur många gener är inblandade i växelverkan mellan värd och parasit och hur är de organiserade i genomet? Hur interagerar de och hur specifika är dessa interaktioner? Vilken form av urval verkar på generna? Generna och deras verkningsmekanism har hittills inte identifierats för ett enda fall i naturen, även om det under de senaste 50 åren har lagts fram ett antal genetiska modeller – både verbala och matematiska – för att beskriva de populationsgenetiska processer som är verksamma. Dessa modeller, som beskriver en enorm mångfald av samevolutionära scenarier, har visat att den samevolutionära processen är starkt beroende av bland annat populationernas genetiska sammansättning, källan till genetisk variation (mutationer, genflöde, rekombination), storleken och strukturen hos de samevolutionära populationerna samt den genetiska arkitekturen hos de samverkande generna och deras effekter på fenotypen. Tidigare modeller var inriktade på enkel genetik med en eller två loci, medan senare modeller innehöll fler loci eller till och med antog polygen nedärvning. Med hjälp av denna mångfald av modeller blev det tydligt att fenotypiska bedömningar endast skulle kunna identifiera de genetiska mekanismerna för samevolution i mycket förenklade fall och att det är mycket osannolikt att dessa bedömningar skulle hålla under naturliga förhållanden. Det har också blivit uppenbart att det inte är arterna som utvecklas tillsammans, utan generna och deras associerade fenotyper. Detta understryker behovet av att identifiera de relevanta generna för att förstå mekaniken i den samevolutionära processen.

Två av de mer frekvent diskuterade genetiska modellerna är den selektiva svepmodellen och modellen med den röda drottningen . Samevolution genom selektiv svepning bygger på idén att nya mutationer sveps till fixering i populationerna av två samevolverande arter. Mutationer kan förekomma var som helst i arvsmassan och öka i frekvens, så länge de ger sin bärare en fördel. Mutationerna behöver inte alternera i de två populationerna. En population kan ha flera mutationer som sveper efter varandra, och i sexuella organismer kan flera mutationer till och med svepa till fixering i olika regioner av genomet samtidigt.

Den röda drottningmodellen bygger däremot på en mycket specifik genetisk arkitektur. Den tyder på att alleler vid några få loci i värden och i parasiten reagerar olika på antagonisten, beroende på de interagerande genotyperna. En allel A i värden kan ge resistens mot parasittyp A, men känslighet för parasittyp B, medan en annan allel (B) kan göra det omvända. Denna genetiska struktur kan förhindra fixering av alleler över evolutionära tidsskalor. Eftersom parasiterna spårar värdalleler som orsakar mottaglighet uppstår en process av tidsförskjutet negativt frekvensberoende urval, vilket leder till cykler i allelfrekvenser. På lång sikt balanserar denna process urvalet och upprätthåller den genetiska variationen vid sjukdomslokalerna. Eftersom allelerna A och B kan bibehållas genom balanserat urval under långa perioder är det troligt att de utvecklas, och selektiva svepningar kan ersätta A med A’ och B med B′. För att göra saker och ting mer komplicerade kan samevolution genom selektivt svep och negativt frekvensberoende urval ske samtidigt i olika delar av genomet, så länge som genetisk rekombination frikopplar deras dynamik.

Och även om experimentella och observationsstudier av fenotyper har rapporterat indirekta bevis för både modellen med selektivt svep och modellen med den röda drottningen är det svårt att härleda de underliggande genetiska modellerna från fenotyper som samutvecklas. Med tanke på komplexiteten hos naturligt samutvecklande system verkar det knappast vara möjligt. Å andra sidan finns det få direkta genetiska bevis. I några få fall har mutationer (som antas vara involverade i samevolutionen) observerats sprida sig i värd- eller parasitpopulationer, men inte i samband med samevolutionen. Och inget fall av cyklisk allelfrekvensdynamik i samband med sjukdom har ännu observerats hos värddjur och parasiter. Det nuvarande stödet för de genetiska modellerna för samevolution är således ganska svagt och mestadels omständligt. Å andra sidan har genomskanning av olika organismer avslöjat att genomiska regioner som förmodligen är involverade i växelverkan mellan värd och parasit är bland de snabbast utvecklande och mest polymorfa generna i genomet. Detta har lett till intensiv forskning om orsakerna till och konsekvenserna av denna mångfald, även innan en potentiell koppling till parasitsjukdomar var klar. Det är nu lätt att hitta sådana regioner även i icke-modellorganismer, men i de flesta fall kan vi bara spekulera om processerna bakom de observerade mönstren.

Svar på frågan ”Vilka är de gener som ligger till grund för antagonistisk samevolution?” skulle hjälpa oss att övervinna denna brist. För att verifiera genetiska modeller för samevolution måste vi hitta generna hos båda antagonisterna, förstå deras interaktion (funktion) och följa deras tidsmässiga dynamik. Med denna information kan vi placera studien av samevolution i en populationsgenetisk ram. Genetiska modeller för samevolution är trots allt fast förankrade i populationsgenetiken.

Hur kan vi hitta de gener som ligger till grund för samevolutionen? Traditionella metoder för att hitta gener som är förknippade med sjukdomsfenotyper använder olika former av kartläggningspaneler, ramar för association av hela arvsmassan och proteomik. Dessa metoder kräver god kontroll av värddjur och parasiter, eftersom separata metoder vanligtvis är nödvändiga för de två antagonisterna. En spännande ny utveckling gör det möjligt att använda alternativa metoder som bygger på co-genomik – den samtidiga studien av värd- och parasitgenom för att lokalisera genomiska regioner som visar någon form av association mellan de två antagonisterna . Dessa nyutvecklade metoder gör det möjligt för oss att avslöja interaktioner mellan värdens genotyp och parasitens genotyp och samband med sjukdomsrelaterade fenotyper med högre precision än metoder som endast bygger på värdens eller parasitens genom. Dessutom är det möjligt att få ögonblicksbilder av värd-parasit-sammanslutningar från populationer under deras naturliga interaktioner.