PLOS Biology

Ovatko geeniekspression evolutiiviset muutokset enimmäkseen luonnonvalinnan vai satunnaisvoimien määräämiä? On kulunut noin 150 vuotta siitä, kun Charles Darwin ehdotti, että eliöt sopeutuvat ympäristöönsä luonnonvalinnan avulla, mutta keskustelu jatkuu edelleen, erityisesti molekyylitasolla. Darwinin valinta kyseenalaistettiin vuonna 1983 Kimuran neutraalilla molekyylievoluutioteorialla, jonka mukaan suurimmalla osalla DNA:n (nukleotidien) ja proteiinien (aminohappojen) sekvenssien eroista lajien sisällä ja lajien välillä on vain vähäinen tai olematon valikoiva vaikutus ja että nämä erot syntyvät enimmäkseen satunnaisten prosessien kautta. Nukleotiditason mutaatioita tapahtuu satunnaisesti ja säännöllisesti. Osa niistä säilyy sukupolvien yli, mikä johtaa ”kiinteisiin” evolutiivisiin muutoksiin lajien välillä. Kaksi mahdollista mekanismia voi johtaa tietyn muutoksen kiinnittymiseen: luonnonvalinta, joka suosii valikoivaa etua tuottavia muutoksia, ja stokastiset (satunnaiset) tapahtumat, kuten geneettinen ajelehtiminen (pienissä populaatioissa sukupolvesta toiseen tapahtuva satunnainen vaihtelu genotyyppien frekvensseissä).

DNA:n mutaatiot voivat johtaa muutoksiin geenien ilmentymistasoissa, joista osa voi tuoda elimistölle valikoivaa etua ja kiinnittyä näin ollen luonnollisen valinnan kautta. Mutta koska variaatio syntyy genotyypin tasolla, kun taas valinnan ajatellaan toimivan suurelta osin fenotyypin tasolla (eli genotyypin fyysisessä ilmenemismuodossa), on kohtuullista olettaa, että valinta ei näy yhtä selvästi DNA-sekvenssin tasolla ja siten myös geeniekspression tasolla. Mikrosirutekniikka on mahdollistanut tuhansien transkriptien (DNA:n RNA-kopiot, jotka käännetään aminohapposekvensseiksi) ilmentymistasojen systemaattisen tutkimisen ja kysymyksen siitä, johtuuko suurin osa evoluution aikana lajien välillä kiinnittyneistä geenien ilmentymisen muutoksista valikoivista vai stokastisista prosesseista.

Tätäkin kysymystä tutkiakseen Philipp Khaitovich kollegoineen analysoi havaittuja transkriptiomitason eroavaisuuksia kädellis- ja hiirilajeissa sekä lajin sisäisten eri aivoalueiden välillä. Ryhmä aloitti analysoimalla noin 12 000 geenin ilmentymistasoja eri kädellisten, myös ihmisten, prefrontaalisella aivokuorella. Jos evoluutiomuutokset johtuvat sattumasta eivätkä luonnonvalinnasta, ne kasautuvat ajan funktiona eivätkä organismin fyysisten tai käyttäytymismuutosten funktiona. Ja juuri näin kirjoittajat havaitsivat: geeniekspression muutokset lajien välillä etenivät lineaarisesti ajan myötä, mikä viittaa siihen, että kädellisten aivojen geeniekspressio kehittyi suurelta osin satunnaisprosesseista, jotka toivat mukanaan valikoivasti neutraaleja tai biologisesti merkityksettömiä muutoksia.

Neutraalin evoluutioteorian mukaan samat voimat määräävät evoluution vauhdin sekä lajien sisäisesti että lajien välillä, koska samanlaiset satunnaisprosessit ovat toiminnassa molemmilla tasoilla. Näin ollen geenien, jotka vaihtelevat enemmän lajin sisällä, pitäisi todennäköisemmin vaihdella myös lajien välillä. Vertailemalla geenien ilmentymistasoja niiden ihmisten sisäisen vaihtelun mukaan kirjoittajat osoittivat, että geenit, joiden vaihtelu ihmisten keskuudessa oli suurta, muuttuivat huomattavasti nopeammin lajien välillä kuin geenit, joiden vaihtelu ihmisten keskuudessa oli vähäistä. Kirjoittajat vertasivat myös geeneissä havaittuja muutoksia pseudogeeneissä (geenit, jotka evoluution aikana saavat mutaation, joka tekee niistä toimimattomia) havaittuihin muutoksiin, eivätkä havainneet näiden kahden välillä merkittävää eroa, mikä taas viittaa siihen, että useimmilla ilmentymismuutoksilla ei ole funktionaalista merkitystä.

Vaikka heidän analyysinsä ei voi sulkea pois luonnollisen valinnan roolia, kaikki tulokset ovat sopusoinnussa neutraalin transkriptiomievoluutiomallin kanssa. Tämä tarkoittaa, että suurin osa geeniekspression eroista lajien sisällä ja lajien välillä ei ole funktionaalisia sopeutumisia, vaan valikoivasti neutraaleja, emmekä pysty selittämään lajieroja geeniekspression vaihtelun perusteella yleensä.

Sen lisäksi, että kirjoittajat tarkastelevat geeniekspression eroja tietyssä kudoksessa eri lajien välillä, he pohtivat myös eri kudosten evoluutiota lajin sisällä. Ihmisen aivot koostuvat alueista, jotka eroavat toisistaan toiminnaltaan ja histologialtaan (mikroskooppinen rakenne). Kukin näistä alueista sai toiminnallisen tai histologisen eron, joka erotti sen sisaralueistaan jossain vaiheessa evolutiivista menneisyyttämme. Kirjoittajat osoittavat, että alueiden välisten muutosten määrä korreloi muilla menetelmillä arvioitujen kudosten eroamisaikojen kanssa. Jos tämä havainto pätee muihin kudoksiin aivoissa ja niiden ulkopuolella, se voisi tarjota menetelmän kudosten evoluution rekonstruoimiseksi lajin sisällä.