PLOS Biology

Czy ewolucyjne zmiany w ekspresji genów są determinowane głównie przez dobór naturalny czy przez siły losowe? Minęło około 150 lat od czasu, gdy Karol Darwin zaproponował, że organizmy przystosowują się do swojego środowiska poprzez proces doboru naturalnego, ale debata na ten temat nadal trwa, szczególnie na poziomie molekularnym. Dobór darwinowski został zakwestionowany w 1983 roku przez neutralną teorię ewolucji molekularnej Kimury, która twierdzi, że większość różnic w sekwencjach DNA (nukleotydów) i białek (aminokwasów) w obrębie gatunku i pomiędzy gatunkami ma niewielki lub żaden efekt selekcyjny i że różnice te powstają w wyniku procesów w większości przypadkowych. Mutacje na poziomie nukleotydów występują losowo i regularnie. Niektóre z nich przetrwają przez pokolenia, powodując „utrwalone” zmiany ewolucyjne między gatunkami. Dwa potencjalne mechanizmy mogą prowadzić do utrwalenia danej zmiany: dobór naturalny, który faworyzuje zmiany przenoszące selektywną przewagę, oraz stochastyczne (losowe) zdarzenia, takie jak dryf genetyczny (losowe fluktuacje w częstotliwościach genotypów, które występują z pokolenia na pokolenie w małych populacjach).

Mutacje DNA mogą prowadzić do zmian w poziomach ekspresji genów, z których niektóre mogą przenosić selektywną przewagę na organizm, a zatem zostać utrwalone poprzez dobór naturalny. Ale ponieważ zmienność jest produkowana na poziomie genotypu, podczas gdy selekcja jest uważana za działającą w dużej mierze na poziomie fenotypu (to jest, fizyczna manifestacja genotypu), rozsądnie jest oczekiwać, że selekcja będzie mniej widoczna na poziomie sekwencji DNA, a przez rozszerzenie, na poziomie ekspresji genu. Technologia mikromacierzy umożliwiła systematyczne badanie poziomów ekspresji tysięcy transkryptów (kopii RNA z DNA, które są tłumaczone na sekwencje aminokwasów) i zadanie pytania, czy większość zmian ekspresji genów ustalonych podczas ewolucji między gatunkami wynika z procesów selektywnych czy stochastycznych.

Aby zbadać to pytanie, Philipp Khaitovich i współpracownicy przeanalizowali obserwowane różnice transkryptomu wśród gatunków naczelnych i myszy, jak również wśród różnych regionów mózgu w obrębie gatunku. Zespół rozpoczął od analizy poziomów ekspresji około 12 000 genów w korze przedczołowej różnych naczelnych, w tym ludzi. Jeśli zmiany ewolucyjne są spowodowane przez przypadek, a nie przez dobór naturalny, to będą się one kumulować w funkcji czasu, a nie jako funkcja fizycznych lub behawioralnych zmian w organizmie. I to właśnie znaleźli autorzy: zmiany w ekspresji genów wśród gatunków postępowały liniowo z czasem, sugerując, że ekspresja genów w mózgach naczelnych ewoluowała w dużej części z przypadkowych procesów wprowadzających selektywnie neutralne, lub biologicznie nieistotne, zmiany.

Zgodnie z neutralną teorią ewolucji, te same siły określają tempo ewolucji zarówno wewnątrz jak i między gatunkami, ponieważ podobne przypadkowe procesy działają na obu poziomach. W konsekwencji geny, które różnią się bardziej w obrębie gatunku, powinny być bardziej prawdopodobne, że będą się różnić między gatunkami. Porównując poziomy ekspresji genów w zależności od ich zmienności w obrębie człowieka, autorzy wykazali, że geny o dużej zmienności wśród ludzi zmieniały się znacznie szybciej między gatunkami niż geny o małej zmienności wśród ludzi. Autorzy porównali również zmiany obserwowane w genach do zmian obserwowanych w pseudogenach (geny, które w czasie ewolucji nabywają mutację, która czyni je niefunkcjonalnymi) i nie znaleźli znaczącej różnicy między nimi, sugerując ponownie, że większość zmian ekspresji nie ma znaczenia funkcjonalnego.

Pomimo, że ich analiza nie może wykluczyć roli doboru naturalnego, wszystkie wyniki są zgodne z neutralnym modelem ewolucji transkryptomu. Oznacza to, że większość różnic w ekspresji genów w obrębie i między gatunkami nie są funkcjonalne adaptacje, ale selektywnie neutralne i że nie będziemy w stanie wyjaśnić różnic między gatunkami w oparciu o różnice w ekspresji genów w ogóle.

Oprócz badania różnic w ekspresji genów w danej tkance między gatunkami, autorzy omawiają również ewolucję różnych tkanek w obrębie gatunku. Ludzki mózg składa się z regionów, które różnią się pod względem funkcji i histologii (struktury mikroskopowej). Każdy z tych regionów nabył funkcjonalną lub histologiczną różnicę, która oddzieliła go od jego siostrzanych regionów w pewnym momencie naszej ewolucyjnej przeszłości. Autorzy pokazują, że wielkość zmian między regionami koreluje z czasami dywergencji tkanek oszacowanymi za pomocą innych metod. Jeśli to odkrycie będzie miało zastosowanie do innych tkanek w mózgu i poza nim, to może stanowić metodę rekonstrukcji ewolucji tkanek w obrębie gatunku.