PLOS Biology

A génkifejeződés evolúciós változásait leginkább a természetes szelekció vagy a véletlen erők határozzák meg? Mintegy 150 év telt el azóta, hogy Charles Darwin azt javasolta, hogy a szervezetek a természetes szelekció folyamatán keresztül alkalmazkodnak a környezetükhöz, a vita azonban még mindig dúl, különösen molekuláris szinten. A darwini szelekciót 1983-ban megkérdőjelezte a molekuláris evolúció Kimura-féle semleges elmélete, amely szerint a DNS (nukleotidok) és fehérjék (aminosavak) szekvenciáiban a fajokon belüli és a fajok közötti különbségek többségének csak csekély szelekciós hatása van, vagy egyáltalán nincs, és ezek a különbségek többnyire véletlenszerű folyamatok révén jönnek létre. A nukleotidszintű mutációk véletlenszerűen és rendszeresen fordulnak elő. Ezek közül néhány túléli a generációkat, és “rögzített” evolúciós változásokat eredményez a fajok között. Két lehetséges mechanizmus vezethet egy adott változás rögzüléséhez: a természetes szelekció, amely a szelektív előnyt jelentő változásokat részesíti előnyben, és a sztochasztikus (véletlenszerű) események, mint például a genetikai sodródás (a genotípusok gyakoriságának véletlenszerű ingadozása, amely kis populációkban generációról generációra történik).

A DNS-mutációk a génexpressziós szintek változásához vezethetnek, amelyek közül néhány szelektív előnyt jelenthet egy szervezet számára, és ezért a természetes szelekció révén rögzül. Mivel azonban a variáció a genotípus szintjén jön létre, míg a szelekcióról úgy gondolják, hogy nagyrészt a fenotípus szintjén (azaz a genotípus fizikai megnyilvánulása) működik, ésszerű azt várni, hogy a szelekció kevésbé nyilvánvaló a DNS-szekvencia szintjén, és ezáltal a génexpresszió szintjén. A microarray-technológia lehetővé tette több ezer transzkriptum (a DNS aminosav-szekvenciákká lefordított RNS-kópiái) expressziós szintjének szisztematikus vizsgálatát, és azt a kérdést, hogy a génexpresszió evolúció során a fajok között rögzített változásainak többsége szelektív vagy sztochasztikus folyamatok eredménye-e.

A kérdés vizsgálatára Philipp Khaitovich és munkatársai elemezték a főemlős- és egérfajok, valamint a fajon belüli különböző agyi régiók között megfigyelt transzkriptom-különbségeket. A csapat először mintegy 12 000 gén expressziós szintjét elemezte különböző főemlősök, köztük az ember prefrontális kéregében. Ha az evolúciós változásokat a véletlen és nem a természetes szelekció okozza, akkor azok az idő függvényében halmozódnak fel, nem pedig a szervezet fizikai vagy viselkedési változásainak függvényében. És ezt találták a szerzők: a génexpresszió változásai a fajok között lineárisan haladtak az idővel, ami arra utal, hogy a főemlősök agyában a génexpresszió nagyrészt véletlenszerű folyamatokból fejlődött, amelyek szelektíven semleges vagy biológiailag jelentéktelen változásokat hoztak létre.

A semleges evolúció elmélete szerint ugyanazok az erők határozzák meg az evolúció sebességét a fajokon belül és a fajok között, mivel mindkét szinten hasonló véletlenszerű folyamatok működnek. Következésképpen a fajon belül jobban változó géneknek nagyobb valószínűséggel kell változnia a fajok között is. A szerzők a gének kifejeződési szintjét az emberen belüli variációjuk szerint összehasonlítva kimutatták, hogy az emberen belül nagy variációval rendelkező gének lényegesen gyorsabban változtak a fajok között, mint az emberen belül alacsony variációval rendelkező gének. A szerzők összehasonlították a génekben megfigyelt változásokat a pszeudogénekben (olyan gének, amelyek az evolúciós idő múlásával olyan mutációt kapnak, amely működésképtelenné teszi őket) megfigyelt változásokkal is, és nem találtak jelentős különbséget a kettő között, ami ismét arra utal, hogy a legtöbb expressziós változásnak nincs funkcionális jelentősége.

Míg elemzésük nem zárhatja ki a természetes szelekció szerepét, minden eredmény összhangban van a transzkriptom evolúció semleges modelljével. Ez azt jelenti, hogy a fajon belüli és a fajok közötti génexpressziós különbségek többsége nem funkcionális adaptáció, hanem szelektíven semleges, és a faji különbségeket nem fogjuk tudni megmagyarázni a génexpresszió általános eltéréseivel.

A szerzők amellett, hogy egy adott szövetben a génexpresszió fajon belüli különbségeit vizsgálják, a fajon belüli különböző szövetek evolúcióját is tárgyalják. Az emberi agy olyan régiókból áll, amelyek funkciójukban és szövettanukban (mikroszkopikus szerkezetükben) különböznek egymástól. E régiók mindegyike olyan funkcionális vagy szövettani különbséget szerzett, amely evolúciós múltunk egy bizonyos pontján elkülönítette testvérrégióitól. A szerzők megmutatják, hogy a régiók közötti változás mértéke korrelál a más módszerekkel becsült szöveti eltérési időkkel. Ha ez a megállapítás más szövetekre is érvényes az agyon belül és kívül, akkor ez egy olyan módszer lehet, amellyel rekonstruálni lehet a szövetek fajon belüli evolúcióját.