PLOS Biology

Worden evolutionaire veranderingen in genexpressie vooral bepaald door natuurlijke selectie of door toevallige krachten? Het is ongeveer 150 jaar geleden dat Charles Darwin voorstelde dat organismen zich aan hun omgeving aanpassen door het proces van natuurlijke selectie, maar het debat woedt nog steeds, vooral op moleculair niveau. Darwinistische selectie werd in 1983 aangevochten door de Kimura neutrale theorie van moleculaire evolutie, die stelt dat de meeste verschillen in DNA (nucleotide) en eiwit (aminozuur) sequenties binnen en tussen soorten slechts een gering of geen selectief effect hebben en dat deze verschillen ontstaan door meestal willekeurige processen. Mutaties op het niveau van nucleotiden treden willekeurig en regelmatig op. Sommige daarvan overleven generaties lang, wat resulteert in “gefixeerde” evolutionaire veranderingen tussen soorten. Twee potentiële mechanismen kunnen leiden tot de fixatie van een bepaalde verandering: natuurlijke selectie, die de voorkeur geeft aan veranderingen die een selectief voordeel opleveren, en stochastische (willekeurige) gebeurtenissen, zoals genetische drift (de willekeurige schommelingen in genotype-frequenties die in kleine populaties van generatie op generatie optreden).

DNA-mutaties kunnen leiden tot veranderingen in genexpressieniveaus, waarvan sommige een selectief voordeel voor een organisme kunnen opleveren en daarom via natuurlijke selectie worden gefixeerd. Maar aangezien variatie wordt geproduceerd op het niveau van het genotype, terwijl selectie geacht wordt grotendeels te werken op het niveau van het fenotype (dat wil zeggen, de fysieke manifestatie van het genotype), is het redelijk te verwachten dat selectie minder duidelijk is op het niveau van de DNA-sequentie, en bij uitbreiding, op het niveau van genexpressie. Microarray technologie heeft het mogelijk gemaakt om systematisch expressieniveaus van duizenden transcripten (de RNA kopieën van DNA die worden vertaald in aminozuursequenties) te bestuderen en zich af te vragen of de meeste veranderingen van genexpressie die tijdens de evolutie tussen soorten zijn vastgesteld, het gevolg zijn van selectieve of stochastische processen.

Om deze vraag te onderzoeken, analyseerden Philipp Khaitovich en collega’s de waargenomen transcriptoomverschillen tussen primaat- en muizensoorten, alsmede tussen verschillende hersengebieden binnen een soort. Het team begon met het analyseren van de expressieniveaus van ongeveer 12.000 genen in de prefrontale cortex van verschillende primaten, waaronder de mens. Als evolutionaire veranderingen door toeval en niet door natuurlijke selectie worden veroorzaakt, zullen zij zich eerder opstapelen als functie van de tijd dan als functie van fysieke of gedragsmatige veranderingen in het organisme. En dat is wat de auteurs vonden: de veranderingen in genexpressie tussen de soorten verliepen lineair met de tijd, wat suggereert dat genexpressie in de hersenen van primaten voor een groot deel evolueerde door toevallige processen die selectief neutrale, of biologisch onbelangrijke, veranderingen introduceerden.

Volgens de neutrale evolutietheorie bepalen dezelfde krachten de snelheid van evolutie zowel binnen als tussen soorten, omdat op beide niveaus vergelijkbare toevallige processen aan het werk zijn. Bijgevolg zouden genen die binnen soorten meer variëren, waarschijnlijk ook meer variëren tussen soorten. Door de expressieniveaus van genen te vergelijken op basis van hun variatie binnen de mens, toonden de auteurs aan dat genen met een grote variatie binnen de mens significant sneller veranderden tussen soorten dan genen met een kleine variatie binnen de mens. De auteurs vergeleken ook veranderingen waargenomen in genen met veranderingen waargenomen in pseudogenen (genen die in de loop van de evolutie een mutatie ondergaan waardoor ze niet meer functioneel zijn) en vonden geen significant verschil tussen de twee, wat opnieuw suggereert dat de meeste expressieveranderingen geen functionele betekenis hebben.

Hoewel hun analyse een rol voor natuurlijke selectie niet kan uitsluiten, zijn alle resultaten consistent met een neutraal model van transcriptomevolutie. Dit betekent dat de meerderheid van de genexpressieverschillen binnen en tussen soorten geen functionele aanpassingen zijn maar selectief neutraal en dat we niet in staat zullen zijn om verschillen tussen soorten te verklaren op basis van variatie in genexpressie in het algemeen.

Naast het onderzoeken van verschillen in genexpressie in een bepaald weefsel tussen soorten, bespreken de auteurs ook de evolutie van verschillende weefsels binnen een soort. De menselijke hersenen zijn samengesteld uit regio’s die verschillen in functie en histologie (microscopische structuur). Elk van deze regio’s verwierf een functioneel of histologisch verschil dat het van zijn zusterregio’s scheidde op een bepaald punt in ons evolutionaire verleden. De auteurs tonen aan dat de mate van verandering tussen de regio’s correleert met weefsel-divergentie tijden geschat door andere methoden. Als deze bevinding ook geldt voor andere weefsels binnen en buiten de hersenen, zou dit een methode kunnen opleveren om de evolutie van weefsels binnen een soort te reconstrueren.