PLOS Biology

Jsou evoluční změny v genové expresi určovány především přírodním výběrem, nebo náhodnými silami? Od doby, kdy Charles Darwin navrhl, že se organismy přizpůsobují svému prostředí prostřednictvím procesu přírodního výběru, uplynulo již přibližně 150 let, přesto debata stále zuří, zejména na molekulární úrovni. Darwinův výběr byl v roce 1983 zpochybněn Kimurova neutrální teorií molekulární evoluce, která tvrdí, že většina rozdílů v sekvencích DNA (nukleotidů) a bílkovin (aminokyselin) v rámci druhů i mezi nimi má jen malý nebo žádný selekční účinek a že tyto rozdíly vznikají převážně náhodnými procesy. Mutace na úrovni nukleotidů se vyskytují náhodně a pravidelně. Některé z nich přežívají v průběhu generací, což vede k „fixním“ evolučním změnám mezi druhy. K fixaci určité změny mohou vést dva potenciální mechanismy: přirozený výběr, který upřednostňuje změny přinášející selekční výhodu, a stochastické (náhodné) události, jako je genetický drift (náhodné kolísání frekvencí genotypů, ke kterému dochází z generace na generaci v malých populacích).

Mutace DNA mohou vést ke změnám v úrovni genové exprese, z nichž některé mohou přinášet organismu selekční výhodu, a proto se prostřednictvím přirozeného výběru fixují. Protože však variabilita vzniká na úrovni genotypu, zatímco se předpokládá, že selekce působí převážně na úrovni fenotypu (tj. fyzického projevu genotypu), je rozumné očekávat, že selekce bude méně patrná na úrovni sekvence DNA, a tím i na úrovni genové exprese. Technologie microarray umožnila systematicky studovat úrovně exprese tisíců transkriptů (RNA kopií DNA, které jsou překládány do sekvencí aminokyselin) a položit si otázku, zda většina změn genové exprese fixovaných během evoluce mezi druhy je výsledkem selekčních nebo stochastických procesů.

Pro zkoumání této otázky Philipp Khaitovich a jeho kolegové analyzovali pozorované rozdíly v transkriptech mezi druhy primátů a myší a také mezi různými oblastmi mozku v rámci jednoho druhu. Tým začal analýzou úrovně exprese přibližně 12 000 genů v prefrontální kůře různých primátů, včetně člověka. Pokud jsou evoluční změny způsobeny náhodou, a ne přírodním výběrem, budou se hromadit spíše jako funkce času než jako funkce fyzických nebo behaviorálních změn v organismu. A právě to autoři zjistili: změny v genové expresi mezi druhy postupovaly lineárně s časem, což naznačuje, že genová exprese v mozku primátů se z velké části vyvinula v důsledku náhodných procesů zavádějících selektivně neutrální nebo biologicky nevýznamné změny.

Podle teorie neutrální evoluce určují rychlost evoluce stejné síly jak uvnitř druhu, tak mezi druhy, protože na obou úrovních působí podobné náhodné procesy. V důsledku toho by se geny, které se více mění v rámci druhu, měly s větší pravděpodobností měnit i mezi druhy. Porovnáním úrovní exprese genů podle jejich variability v rámci člověka autoři ukázali, že geny s vysokou variabilitou mezi lidmi se mezi druhy měnily výrazně rychleji než geny s nízkou variabilitou mezi lidmi. Autoři také porovnali změny pozorované u genů se změnami pozorovanými u pseudogenů (genů, které v průběhu evoluce získají mutaci, která je učiní nefunkčními) a nezjistili mezi nimi žádný významný rozdíl, což opět naznačuje, že většina změn exprese nemá funkční význam.

Ačkoli jejich analýza nemůže vyloučit roli přírodního výběru, všechny výsledky odpovídají neutrálnímu modelu evoluce transkriptomu. To znamená, že většina rozdílů v genové expresi v rámci druhu a mezi druhy není funkční adaptací, ale selekčně neutrální, a že nebudeme schopni vysvětlit druhové rozdíly na základě rozdílů v genové expresi obecně.

Kromě zkoumání rozdílů v genové expresi v určité tkáni mezi druhy se autoři zabývají také evolucí různých tkání v rámci druhu. Lidský mozek se skládá z oblastí, které se liší funkcí a histologií (mikroskopickou strukturou). Každá z těchto oblastí získala v určitém okamžiku naší evoluční minulosti funkční nebo histologickou odlišnost, která ji oddělila od sesterských oblastí. Autoři ukazují, že množství změn mezi regiony koreluje s dobou tkáňové divergence odhadovanou jinými metodami. Pokud toto zjištění platí i pro jiné tkáně v mozku i mimo něj, mohlo by poskytnout metodu pro rekonstrukci evoluce tkání v rámci druhu.

.