PLOS Biology

Er evolutionære ændringer i genekspression hovedsageligt bestemt af naturlig udvælgelse eller af tilfældige kræfter? Det er ca. 150 år siden, at Charles Darwin foreslog, at organismer tilpasser sig deres omgivelser gennem naturlig udvælgelse, men debatten raser stadig, især på molekylært niveau. Darwins selektion blev i 1983 udfordret af Kimuras neutrale teori om molekylær evolution, som hævder, at størstedelen af forskellene i DNA- (nukleotid-) og protein- (aminosyre-) sekvenser inden for og mellem arter kun har en mindre eller ingen selektiv virkning, og at disse forskelle opstår gennem overvejende tilfældige processer. Mutationer på nukleotidniveau forekommer tilfældigt og regelmæssigt. Nogle af dem overlever gennem generationer og resulterer i “faste” evolutionære ændringer mellem arter. To potentielle mekanismer kan føre til fiksering af en bestemt ændring: naturlig udvælgelse, som favoriserer ændringer, der giver en selektiv fordel, og stokastiske (tilfældige) hændelser som f.eks. genetisk drift (de tilfældige udsving i genotypefrekvenser, der forekommer fra generation til generation i små populationer).

DNA-mutationer kan føre til ændringer i genekspressionsniveauer, hvoraf nogle kan give en organisme en selektiv fordel og derfor blive fikseret via naturlig udvælgelse. Men da variation produceres på genotype-niveau, mens selektion i vid udstrækning menes at virke på fænotype-niveau (dvs. den fysiske manifestation af genotypen), er det rimeligt at forvente, at selektion er mindre tydelig på DNA-sekvensniveauet og i forlængelse heraf på genudtryksniveauet. Microarray-teknologien har gjort det muligt systematisk at undersøge ekspressionsniveauet for tusindvis af transkriptomer (de RNA-kopier af DNA, der oversættes til aminosyresekvenser) og at spørge, om de fleste ændringer af genekspressionen, der er fastsat under evolutionen mellem arter, skyldes selektive eller stokastiske processer.

For at undersøge dette spørgsmål analyserede Philipp Khaitovich og kolleger de observerede transkriptomforskelle mellem primat- og musearter samt mellem forskellige hjerneområder inden for en art. Holdet startede med at analysere ekspressionsniveauerne for omkring 12.000 gener i den præfrontale cortex hos forskellige primater, herunder mennesker. Hvis evolutionære ændringer er forårsaget af tilfældigheder og ikke af naturlig udvælgelse, vil de akkumuleres som en funktion af tiden snarere end som en funktion af fysiske eller adfærdsmæssige ændringer i organismen. Og det var det, forfatterne fandt: Ændringerne i genudtryk blandt arterne udviklede sig lineært med tiden, hvilket tyder på, at genudtrykket i primaters hjerner i vid udstrækning udviklede sig fra tilfældige processer, der introducerer selektivt neutrale eller biologisk ubetydelige ændringer.

I henhold til neutral evolutionsteori er det de samme kræfter, der bestemmer udviklingshastigheden både inden for og mellem arter, fordi lignende tilfældige processer er på spil på begge niveauer. Derfor bør gener, der varierer mere inden for arterne, være mere tilbøjelige til at variere mellem arterne. Ved at sammenligne geners ekspressionsniveauer i forhold til deres variation inden for mennesker viste forfatterne, at gener med stor variation blandt mennesker ændrede sig betydeligt hurtigere mellem arter end gener med lav variation blandt mennesker. Forfatterne sammenlignede også ændringer observeret i gener med ændringer observeret i pseudogener (gener, der i løbet af evolutionær tid får en mutation, der gør dem ikke-funktionelle) og fandt ingen signifikant forskel mellem de to, hvilket igen tyder på, at de fleste ekspressionsændringer ikke har nogen funktionel betydning.

Selv om deres analyse ikke kan udelukke en rolle for naturlig selektion, er alle resultaterne i overensstemmelse med en neutral model for transkriptomudvikling. Det betyder, at størstedelen af genekspressionsforskellene inden for og mellem arter ikke er funktionelle tilpasninger, men selektivt neutrale, og at vi ikke vil kunne forklare artsforskelle baseret på variation i genekspression generelt.

Ud over at undersøge forskelle i genekspression i et bestemt væv mellem arter diskuterer forfatterne også udviklingen af forskellige væv inden for en art. Den menneskelige hjerne er sammensat af regioner, der adskiller sig i funktion og histologi (mikroskopisk struktur). Hver af disse regioner fik en funktionel eller histologisk forskel, som adskilte den fra sine søsterregioner på et tidspunkt i vores evolutionære fortid. Forfatterne viser, at omfanget af ændringerne mellem regionerne korrelerer med de vævsforskydningstider, der er estimeret ved hjælp af andre metoder. Hvis dette resultat gælder for andre væv i og uden for hjernen, kan det give en metode til at rekonstruere udviklingen af væv inden for en art.