PLOS Biology

Sunt schimbările evolutive în expresia genelor determinate în principal de selecția naturală sau de forțe aleatorii? Au trecut aproximativ 150 de ani de când Charles Darwin a propus ca organismele să se adapteze la mediul înconjurător prin procesul de selecție naturală, dar dezbaterea încă face ravagii, în special la nivel molecular. Selecția darwinistă a fost contestată în 1983 de teoria neutră Kimura a evoluției moleculare, care susține că majoritatea diferențelor dintre secvențele de ADN (nucleotide) și proteine (aminoacizi) în cadrul speciilor și între specii au doar un efect selectiv minor sau nu au niciun efect selectiv și că aceste diferențe apar prin procese în mare parte aleatorii. Mutațiile la nivel de nucleotide apar în mod aleatoriu și regulat. Unele dintre ele supraviețuiesc de-a lungul generațiilor, ducând la schimbări evolutive „fixe” între specii. Două mecanisme potențiale pot duce la fixarea unei anumite modificări: selecția naturală, care favorizează modificările care transmit un avantaj selectiv, și evenimentele stocastice (aleatorii), cum ar fi deriva genetică (fluctuațiile aleatorii ale frecvențelor genotipurilor care apar de la o generație la alta în populațiile mici).

Mutațiile ADN pot duce la modificări ale nivelurilor de expresie a genelor, dintre care unele pot transmite un avantaj selectiv unui organism și, prin urmare, devin fixate prin selecție naturală. Dar, deoarece variația este produsă la nivelul genotipului, în timp ce se consideră că selecția operează în mare măsură la nivelul fenotipului (adică manifestarea fizică a genotipului), este rezonabil să ne așteptăm ca selecția să fie mai puțin evidentă la nivelul secvenței ADN și, prin extensie, la nivelul expresiei genice. Tehnologia microarray a făcut posibilă studierea sistematică a nivelurilor de expresie a mii de transcripte (copiile ARN ale ADN-ului care sunt traduse în secvențe de aminoacizi) și să ne întrebăm dacă cele mai multe modificări ale expresiei genelor fixate în timpul evoluției între specii rezultă din procese selective sau stochastice.

Pentru a investiga această întrebare, Philipp Khaitovich și colegii săi au analizat diferențele observate în transcriptom între speciile de primate și șoareci, precum și între diverse regiuni ale creierului în cadrul unei specii. Echipa a început prin a analiza nivelurile de expresie a aproximativ 12.000 de gene din cortexul prefrontal al diferitelor primate, inclusiv al oamenilor. Dacă schimbările evolutive sunt cauzate de întâmplare și nu de selecția naturală, acestea se vor acumula în funcție de timp, mai degrabă decât în funcție de schimbările fizice sau comportamentale ale organismului. Și asta au descoperit autorii: schimbările în expresia genelor între specii au progresat liniar în timp, sugerând că expresia genelor din creierul primatelor a evoluat în mare parte în urma unor procese aleatorii care au introdus schimbări neutre din punct de vedere selectiv sau nesemnificative din punct de vedere biologic.

Potrivit teoriei evoluției neutre, aceleași forțe determină rata de evoluție atât în interiorul speciilor, cât și între specii, deoarece procese aleatorii similare sunt la lucru la ambele niveluri. În consecință, genele care variază mai mult în interiorul speciilor ar trebui să aibă o probabilitate mai mare de a varia între specii. Comparând nivelurile de expresie ale genelor în funcție de variația lor în interiorul oamenilor, autorii au arătat că genele cu o variație ridicată în rândul oamenilor s-au schimbat semnificativ mai repede între specii decât genele cu o variație scăzută în rândul oamenilor. Autorii au comparat, de asemenea, modificările observate în gene cu modificările observate în pseudogene (gene care, de-a lungul timpului evolutiv, dobândesc o mutație care le face nefuncționale) și nu au găsit nicio diferență semnificativă între cele două, sugerând din nou că majoritatea modificărilor de expresie nu au nicio semnificație funcțională.

În timp ce analiza lor nu poate exclude un rol al selecției naturale, toate rezultatele sunt în concordanță cu un model neutru de evoluție a transcriptomului. Acest lucru înseamnă că majoritatea diferențelor de expresie a genelor în interiorul și între specii nu sunt adaptări funcționale, ci neutre din punct de vedere selectiv și că nu vom putea explica diferențele dintre specii pe baza variației expresiei genice în general.

În plus față de examinarea diferențelor de expresie a genelor într-un anumit țesut între specii, autorii discută, de asemenea, evoluția diferitelor țesuturi în cadrul unei specii. Creierul uman este compus din regiuni care diferă în funcție și histologie (structura microscopică). Fiecare dintre aceste regiuni a dobândit o diferență funcțională sau histologică care a separat-o de regiunile sale surori la un moment dat în trecutul nostru evolutiv. Autorii arată că valoarea schimbărilor dintre regiuni se corelează cu timpii de divergență a țesuturilor, estimați prin alte metode. Dacă această constatare se aplică și pentru alte țesuturi din interiorul și din afara creierului, ar putea oferi o metodă de a reconstrui evoluția țesuturilor în cadrul unei specii.

.