Változó genomok II — Változó és változékony gének

Neutrális teória — elméleti alapvetés

"A neutrális teória kimondja, hogy az evolúciós változások nagy többségét a molekuláris szinten - ahogy azt a fehérje- és DNS-szekvenciák összehasonlító vizsgálata mutatja - nem a darwini szelekció okozza, hanem szelektíven neutrális, vagy közel neutrális mutánsok véletlenszerű sodródása. Az elmélet nem tagadja a természetes szelekció szerepét az adaptív evolúció menetének meghatározásában, de feltételezi, hogy természetét tekintve csak a DNS változások apró hányada adaptív, míg a fenotípust nem érintő molekuláris szubsztitúciók nem fejtenek ki hatást a túlélésre és a szaporodásra, és véletlenszerűen sodródnak át a fajon.” (Motoo Kimura)

Ahogy a természetes populációk fenotípusos variációinak megfigyelése kulcsjelentőségű volt a természetes szelekció elméletének kimunkálásában, úgy a molekuláris szinten fellépő variáció feltérképezése nélkülözhetetlen volt a neutrális teória kialakításához. A fehérje elektroforézis és a szekvenciaanalízis tette lehetővé először, hogy a kutatók bepillantást nyerjenek a populációs genetika alapjául szolgáló genetikai variáció természetébe. Amit láttak, meglepő, és első közelítésben megfejthetetlen volt. A vizsgált genetikai lókuszok nagy része detektálható genetikai variációt mutatott, bizonyos populációkban legalább a lókuszok harmada polimorf volt. Ha a szelekció a molekuláris szintű változások, az aminósav és bázis szubsztitúciók elsődleges hajtóereje, akkor az lenne várható, hogy csak akkor látunk polimorfizmust, ha „elkapunk” egy mutációt gyors fixálódás közben, míg a lókuszok egységesek az egyedekben. Sok, szelekció alatt álló polimorf lókusz biztosan csökkentené a populáció átlagos fitnesszét. Ha minden variáció szelekció alatt állna, minimális lenne az esélye annak, hogy egy egyed minden polimorf lókusz legjobb alléljét kapja, így minden egyed legalább néhány lókusz miatt csökkent fitnesszel rendelkezne, azaz nagy lenne a populáció genetikai terhe (genetic load). További érv volt a klasszikus szelekcióra alapozott modellek ellen, hogy Drosophilában kb. 13 000 gén van, amelyből kb. 8 000-nek a mutációi nem okoz látható fenotípusos változást. Ezen lókuszokon az allélgyakoriságok változása a neutrális evolúció, mely nem a szelekció törvényeit követi, hanem véletlenszerű folyamatok határozzák meg, sodródó jellegű. Ez a szelekcióra alapozó értelmezést problematikussá teszi.

Számos kutató, élükön Motoo Kimurával és Tomoko Ohtával (2.ábra), magyarázatot keresve a variációnak erre a bőségére feltételezte, hogy csaknem minden megfigyelt genetikai variáció szelektív szempontból neutrális. Ha ezek a különböző allélok funkcionálisan egyenlőek, frekvenciájuk véletlenszerűen változhat (fluktuálhat), egészen addig, amíg egyikük véletlenszerűen fixálódik. Miután az alléloknak nincsen előnyük vagy hátrányuk egymással szemben, mindegyikőjüknek ugyanakkora esélye van a fixálódásra. A neutrális mutációk szubsztitúciós rátájának becsléséhez így azt kell tudnunk, hogy hány neutrális mutáció keletkezik generációnként, és hány százalékuk fixálódhat. Mindkét mennyiség a populációméret függvénye. Minél kisebb a populáció, annál nagyobb a valószínűsége, hogy véletlenszerű mintavételkor minden allél elveszik, kivéve egyet. Ha tehát a populációméret kisebb, a fixálódó mutációk százalékos aránya nagyobb. A kisebb populációkban azonban minden generációban kevesebb mutáció is történik, mivel egyszerűen kevesebb genomban keletkezhet mutáció. A nagyobb populációban több a mutáció, de kisebb a valószínűsége a fixálódásnak. Az elmondottakból az következik, hogy a populációméret szinte teljesen „kiesik”, így a szubsztitúciós rátát egyedül a mutációs ráta határozza meg.

3.2. ábra - Kimura Motoo és Ohta Tomoko, a neutrális szelekció elmélet megalkotói

Kimura Motoo és Ohta Tomoko, a neutrális szelekció elmélet megalkotói


Ez a viszonylag egyszerű modell aztán magyarázattal szolgált az addig rejtélyesnek tartott jelenségekre:

- ha a legtöbb mutáció neutrális, nem távolítja el őket a szelekció, így a természetes populációkban magas szintű marad a polimorfizmus.

- ha a szubsztitúciós rátát a mutációs ráta határozza meg, és a mutációs ráta állandó, akkor a mutációk állandó rátával gyűlnek fel az idők folyamán, amiből következik a molekuláris evolúció állandó sebessége

A neutrális teória a molekuláris evolúció genomszintű mintázataira is tett jóslatokat: Ha a pozitív szelekció vezetne a legtöbb szubsztitúcióhoz, azt várnánk, hogy a túlélés és szaporodás szempontjából legfontosabb genomrészek halmoznák fel a legtöbb szubsztitúciót.

Ha viszont a molekuláris evolúciós változások szempontjából a genetikai sodródás (drift) lenne a hajtóerő, a legkevésbé fontos genomrészek változnának leggyorsabban, mert nem hat rájuk szelekció.

A megfigyelések szerint a genom leggyorsabban változó részei azok, amelyeknek nincsen nyilvánvaló hatásuk a fenotípusra, mint például a mikroszatellitek (rövid, néhány bázispáros ismétlődő szekvenciák) vagy a nem-kódoló DNS, nem funkcionális pszeudogének, valamint a fehérjekódoló szekvenciák olyan pontjai, amelyeknek megváltozása nem okoz aminósav változást (silent site). A sodródásnak tehát kiemelten fontos helye van a molekuláris evolúcióban.

A neutrális elméletet tovább finomította Ohta Tomoko, Kimura kolléganője. Ohta feltételezte, hogy a mutációk nemcsak erősen károsak, vagy teljesen semlegesek lehetnek, hanem lehet enyhe hatásuk a fitnesszre. Ezeknek a „közel neutrális” mutációknak nagy része enyhén káros, egy nagy populációban a szelekció eltávolítaná őket. A kis populációkban azonban a véletlenszerűség nagyobb hatással van az allélgyakoriságokra, így a sodródás felülírhat egy enyhe negatív szelekciós hatást. Így az enyhén negatív hatású mutációk fixálódásának valószínűsége nő a populációméret csökkenésével.

Az utóbbi hatás tesztelhető valós populációkban: ha feltételezzük, hogy egy fehérjekódoló génben a szinoním változások (amelyek nem változtatják meg az aminósav sorrendet) minden bizonnyal neutrálisak, míg a nem-szinoním változások (amelyek megváltoztatják az aminósav sorrendet) valószínűbben esnek a „közel neutrális” kategóriába, akkor elvárható, hogy a kisebb populációkban nagyobbnak kell lennie a nem-szinoním/szinoním aránynak. Ezt a hatást kimutatták a kis populációméretű, szigeti emlősfajoknál, sőt rovarok beléből izolált baktériumok és gombák apró populációiban is.

Évtizedek teltek el a „neutralisták” és a „szelekcionisták” vitájával. Ma úgy gondoljuk, hogy nincsen ellentmondás a molekuláris evolúció neutrális modelljei, és a darwini evolúció között: a neutrális teória elismeri, hogy minden adaptációt a természetes szelekció hozott létre, de a megfigyelt szubsztitúcióknak csak kis törtrésze jelent komoly szelekciós előnyt. Hogy milyen arányban járul hozzá a drift és a szelekció a molekuláris evolúcióhoz, máig vitatott, de általában úgy gondolják, hogy a DNS-szekvenciák és a gének neutrálisan fejlődnek, hacsak nem mutatják az adaptív evolúció jegyeit.

Gének és fehérjék evolúciója

Adaptív evolúció és neutralitás

A neutrális evolúció tehát azt állítja, hogy a gének és kromoszómák evolúciós változásainak nagy többségénél a kialakuló mutáció véletlenszerű sodródás után fixálódik, és nagyon kevés az olyan eset, amikor adaptív mutáció a szelekció folytán fixálódik. Adaptív mutációk az elmélet szerint megjelenhetnek, de ritkák. Az adaptív evolúciónak egyre több példája ismert, a Drosophila simulans és D. yakuba esetén pl. feltehetően az összes aminósav szubsztitúció 45 százalékát a természetes szelekció fixálta. Mindemellet a DNS-szekvencia evolúció „null-hipotézise” a neutrális teória.

A neutrális teória a fajon belüli polimorfizmust átmeneti állapotnak tekint: az új, mutációval megjelent allél éppen azt az utat járja, ami végeredményben majd a sodródás utáni fixációhoz vagy eltűnéshez vezet. A teória azt is megjósolja, hogy a DNS-, és fehérjeszekvenciák legtöbb változása olyan – kódoló vagy nem-kódoló – régiókban jelenik meg, amelynek megváltozása nem befolyásolja döntően az élőlény fitnesszét. Klasszikus példa a fibrinopeptideké, ezeké a rövid peptideké, amelyeket a véralvadás során egy vágás eltávolít a fibrinogénről: az eredmény a véralvadáshoz nélkülözhetetlen, szálas fibrin, és a funkció nélküli fibrinopeptidek. Utóbbiak aminósavai következetlenül változhatnak az őket kódoló génszakasz mutációi miatt. A fibrinopeptidek evolúciós rátája igen magas (aminósav szubsztitúció/ millió év egységben mérve). Ezzel szemben maga a fibrin sokkal lassúbb rátájú evolúción esik át, mert a mutációk befolyásolhatják a funkciót és károsak lehetnek.

Egy gén (vagy a génen belül egy hely) evolúciós rátája (k) kifejezhető egy egyszerű képlettel:

k= f0 Xv,

ahol v a teljes mutációs ráta, f0 azoknak a mutációknak az aránya, amelyek neutrálisak. Utóbbi érték magasabb (f0=1) az olyan „funkció nélküli” szekvenciáknál, mint a fibropeptideké, mint a funkcióval rendelkező fehérjéknél. A funkciók magukban foglalhatnak más fehérjékkel való kölcsönhatásokat is.

A Caenorhabditis elegans, a Drosophila melanogaster és a Sacchromices cerevisiae fehérjekölcsönhatásainak hálózata jól ismert.

Egy klasszikus tanulmányban Fraser és munkatársai (2002) több ezer Saccharomyces fehérjét tartalmazó hálózatból kiválasztottak 164 olyan fehérjét, amelynek megbízhatóan tudták becsülni a k értékét a Caenorhabditis elegans homológ génjeivel való egybevetés alapján. Mint a neutrális teória megjósolja, negatív korrelációt tapasztaltak az adott fehérje k értéke, és a kölcsönható partnerek száma között. A fitnesszre gyakorolt hatás (amit a növekedési ráta csökkenése alapján becsültek) pozitívan korrelált a kölcsönható fehérjék számával. Megmutatták azt is, hogy ugyanabban a kölcsönhatási klaszterben lévő fehérjékre hasonló rátájú evolúció jellemző, ami arra utal, hogy a kölcsönhatásban álló fehérjék koevolúción esnek át.

Szekvencia evolúció tisztító és pozitív szelekció esetén

Tisztító szelekció (purifying selection) akkor lép fel, ha az új szekvencia variánsok ellen szelekció zajlik, aminek az a következménye, hogy f0‹1 és k‹v. Erős tisztító szelekció esetén a legtöbb nemszinoním mutáció ellen szelekció folyik, de szinoním mutációk változatlanul akkumulálódhatnak, mivel azok nem változtatják meg a fehérje aminósavsorrendjét. A tisztító szelekció egyik alapvető ismérve a fehérjekódoló génekben a nemszinoním mutációk alacsony alacsony aránya a szinoním mutációkhoz viszonyítva. A nemszinoním és szinoním szubsztitúciók számát rendszerint normalizálják, azaz elosztják a megfelelő kategóriába eső helyek számával.

Így megkapják az ω arányt.

ω =dn/ds,

ahol dn = nemszinoním szubsztitúció vagy nemszinoním hely, ds = szinoním szubsztitúció vagy szinoním hely.

A tisztító szelekció alatt álló fehérje kódoló géneket igen alacsony ω arány jellemzi. A hisztonfehérjéket kódoló gének például a genom legkevésbé változékony génjei közé tartoznak, az emlősök körén belül nemszinoním változás nem is történt.

A pozitív szelekciónaál a fitnesszt növelő allél kerül szelekciós előnybe. Ilyenkor a nem szinoním mutációk akkumulációja felgyorsul, a neutrális mutációknál is gyorsabban fixálódnak. Ha az előnyös szubsztitúciók száma egy génben meghaladja a semleges szubsztitúciókét, azaz ω› 1, akkor pozitív darwini szelekció hat a génre.

A nemszinoním helyeken zajló gyors evolúciót találtak számos génben, különösen jellemző módon a betegségekkel való ellenállásban szerepet játszó génekben (pl. az immunoglobulinok és citokineek génjeiben), a paraziták elleni védelemmel kapcsolatos génekben, és a reprodukcióban szerepet játszó génekben. A reprodukciós fehérjék gyors evolúciója különösen látványos a spermium és pete kölcsönhatásait közvetítő fehérjéknél, akár a tengeri gerincteleneket, akár az emlősöket vagy Drosophilákat tekintve. A VERL (= vitelline envelope receptor of lysine) fehérjék bizonyos tengeri fülcsigák (abalone) peteburkában fejeződnek ki, és minden bizonnyal szerepük van a szimpatrikusan élő fajaik reproduktív izolációjában. Ezek fajspecifikus fehérjék, amelyek gyors evolúción estek-esnek át. A spermium lysin fehérjéje szekvenciaspecifikus kölcsönhatásba lép a VERL fehérjével, és koevolúciójuk is bizonyított (3. ábra). A magas ω-érték a lysinben a fehérjére irányuló erőteljes pozitív szelekció mellett szól. Hasonló a helyzet a Drosophila járulékos mirigyének számos olyan fehérjéjével, amely a spermiummal együtt átjut a nőstény reproduktív járataiba: szekvencia evolúciójuk rendkívül gyors. Ezek a fehérjék emelik a hím spermiumjának versenyképességét, befolyásolják a nőstények viselkedését, és csökkentik a nőstények élettartamát. A velük kölcsönható, a jelek szerint „küzdő” nőstény fehérjék evolúciója a jelek szerint ugyancsak rendkívül gyors (Swanson és Vacquier, 2002.)