Frontiers in Genetics

szept 20, 2021
admin

Introduction

Sok tulajdonságot több gén és környezeti feltételek szabályoznak és hangolnak össze. A természetben az ilyen tulajdonságok helyi szelekciós nyomás és semleges folyamatok hatására folyamatosan fejlődnek, ami a fenotípusos fajták és a környezeti megküzdési stratégiák gazdag változatosságához vezet. Már Dobzhansky (1964) az élővilág gazdag változatosságát a genetikai sokféleség, a környezeti heterogenitás és a molekuláris és az organizmusbiológia kölcsönhatásában kialakuló adaptációk eredményeként írta le. Az evolúció molekuláris mechanizmusait különösen nehéz volt jellemezni. Először is, össze kell kapcsolnunk a genotípust a fenotípussal. Ez a kapcsolat kiterjedt és bonyolult géninterakciós hálózatokból áll (Ayroles et al., 2009; Lehner, 2013). Másodszor, azonosítanunk kell a fenotípusos alkalmazkodásért felelős molekuláris változásokat. Ez a genetikai variáció és a génkölcsönhatási hálózatokban bárhol előforduló genetikai változások tisztázásától függ (pl. Edwards et al., 2009).

A genetikai variáció megnyilvánulása a génhálózatokban nagyon összetett. Az egyes génekben bekövetkező változások befolyásolhatják az egész genetikai hálózat aktivitását, sőt topológiáját is (pl. Knight et al., 2006). A gének és géninterakciós hálózatok gyakran pleiotrópok, és különböző tulajdonságokat és folyamatokat szabályoznak, ami azt jelenti, hogy egyetlen génben bekövetkező változások több tulajdonságban is megnyilvánulhatnak (Stearns, 2010). Megfordítva, számos gén allélváltozása hozzájárulhat egy adott fenotípusos tulajdonság variációjához (Manolio és mtsai., 2009). Továbbá az episztázis átható, ami azt jelenti, hogy több lókuszban lévő allélváltozatok befolyásolhatják egymás fenotípusos hatásait (Phillips, 2008; Mackay és Moore, 2014; Moore és Williams, 2015). Az evolúció genetikai alapjaival kapcsolatos ilyen megfontolások nem újak, és már több évtizede tanulmányozzák őket (pl. Wagner és Altenberg, 1996). Az előre- és fordított genetika igen sikeresnek bizonyult az egyes gének vagy mutációk egy adott tulajdonságra vonatkozó funkcióinak felderítésében (Nagy és mtsai., 2003). Ezek a technikák azonban korlátozzák a fenotípus hátterében álló molekuláris kölcsönhatási hálózatok komplexitásának vagy az összetett tulajdonságok evolúciójának molekuláris mechanizmusainak tanulmányozását.

A genomikai technológia fejlődése jelentős lökést adott a fenotípusos tulajdonságok genetikai komplexitásának és evolúciójának tanulmányozására való képességünknek (Stapley et al., 2010). E technikáknak a klasszikus genetikai megközelítésekkel való kombinálása lehetővé teszi számunkra, hogy értékeljük a genetikai variáció fenotípusos tulajdonságok funkcionalitását (Storz és Wheat, 2010). Az első, számos modellorganizmuson végzett genomikai vizsgálatok hangsúlyozták, hogy az evolúciós adaptáció, még a specifikus környezeti feltételekhez való alkalmazkodás is, általában számos gént vagy lókuszpontot, valamint a génexpressziós mintázatok dinamikus szabályozását szabályozza (Gasch és mtsai., 2000; Fay és mtsai., 2004; Pedra és mtsai., 2004). A következő évtizedben számos tanulmány használta a genomikát az egyes tulajdonságokhoz és ökológiai kölcsönhatásokhoz hozzájáruló gének és fehérjék azonosítására. Kezdetben az egyetlen genom szekvenálásához szükséges költségek és idő még nagyon korlátozóak voltak. Az újgenerációs szekvenálás azonban lehetővé tette, hogy sokkal több faj és fajonként sokkal több egyed genomját szekvenáljuk. Ez félelmetes erőforrás az evolúció tanulmányozásához, mivel most először teszi lehetővé, hogy feltérképezzük az evolúció során a teljes genomban végbemenő változásokat.

A genomikai technológia hatalmas lehetőségeket rejt magában az evolúciós folyamatok jobb megismerésében. Összehasonlító megközelítéseket alkalmaztak a genomszekvenciák vagy géninterakciós hálózatok hosszú evolúciós időtávlatokban bekövetkező változásainak feltérképezésére (Drosophila 12 Genomes Consortium et al., 2007; Nowick et al., 2009; Jones et al., 2012). A kísérleti szelekciós vagy kísérleti evolúciós megközelítéseket, amelyeket vagy a transzkriptomika vagy a genomszekvenálás követett, sokkal rövidebb időskálájú evolúciós változások feltérképezésére használták (Hunt et al., 2010; Turner et al., 2011; Wertheim et al., 2011; Tenaillon et al., 2012; Linnen et al., 2013; Jalvingh et al., 2014). Ezek a vizsgálatok megmutatták például, hogy a génduplikációk, mutációk és a gének kis részhalmazában bekövetkező erős szekvencia-divergencia milyen mélyreható hatást gyakorolhat nagy géninterakciós hálózatok és több fenotípusos tulajdonság transzkripciós aktivitására.

Ebben a perspektívában az evolúció genomikai alapjaival kapcsolatos legújabb eredményeket és fejleményeket mutatom be, a fejlődő immunitás mint esettanulmány segítségével. Az immunitás olyan tulajdonság, amely gyorsan fejlődik, így alkalmas az evolúciós folyamatok genomikai alapjainak vizsgálatára (Obbard et al., 2009; Sironi et al., 2015). Ráadásul az immunitás molekuláris hálózatait az emberi egészség szempontjából betöltött jelentősége miatt meglehetősen jól jellemezték (Schadt, 2009; Lazzaro és Schneider, 2014; Zak és mtsai., 2014). Először nagyon röviden összefoglalom jelenlegi ismereteinket a veleszületett immunválaszok molekuláris hálózatairól és az immunválaszokra ható szelekciós folyamatokról. Ezután ismertetem azokat a genomikai változásokat, amelyek az immunválaszok egyes aspektusainak megnyeréséhez, elvesztéséhez és modulációjához kapcsolódnak Drosophilában. Végül javaslatot teszek a komplex tulajdonságok genetikai architektúrájának és az evolúciós folyamatok tanulmányozásának jövőbeli irányaira.

Immunválaszok

Az immunrendszer olyan fiziológiai folyamatok kombinációjából áll, amelyek együttesen működnek a kórokozók és paraziták elleni védekezésben. A veleszületett immunitás ősi tulajdonság, amely minden többsejtű szervezetben megtalálható, míg a gerincesek szerzett immunitással is rendelkeznek. Mindkét immunrendszer celluláris és humorális komponenseket egyesít: a celluláris komponens olyan specializált sejteket foglal magában, amelyek védelmi funkciót látnak el. Ide tartoznak a vérsejtek osztályai a mikrobák fagocitózisára, a nagyobb idegen testek bekapszulázására vagy az antigének felismerésére (a szerzett immunitásban), valamint a bélbolyhok hámsejtekkel való bélése, amelyek fizikai gátat képeznek és védekező vegyületeket képesek kiválasztani. A humorális komponens a behatoló kórokozók ellen küzdő extracelluláris faktorok felszabadulásából áll, gyakran speciális szövetekből vagy sejtpopulációkból. Ide tartozik az antimikrobiális peptidek (AMP-k) felszabadulása a májból (vagy gerincteleneknél a zsírtestből) és a bél-epitélsejtekből, a fagocita- és epitélsejtekből származó reaktív oxigénfajok, valamint a fehérvérsejtekből származó antitestek (szerzett immunitásban; Lemaitre és Hoffmann, 2007; Buchmann, 2014).

Az immunválaszokat molekuláris kölcsönhatások bonyolult hálózatai koordinálják (1A ábra). Ugyanazok az útvonalak központi szerepet játszanak az immunválaszokban a gerinctelenektől a gerincesekig, ami az immunitás molekuláris hálózatai központi elemeinek erős konzerváltságára utal (Silverman és Maniatis, 2001; Evans és mtsai., 2003; Buchmann, 2014). Számos receptormolekula képes felismerni a kórokozókat vagy parazitákat, például a kórokozóhoz kapcsolódó molekuláris minták (pl. a baktériummembránokra specifikus lipopoliszacharidok) alapján. Miután a receptorok aktiválódnak, specifikus jelátviteli útvonalakat indukálnak, például a Toll, Imd és Jak/Stat útvonalakat (áttekintés: Lemaitre és Hoffmann, 2007; Buchmann, 2014). Ezek az útvonalak proteázokból, kinázokból, citokinekből és más fehérjékből állnak, amelyek végül transzkripciós faktorokat és kofaktorokat aktiválnak. Ezeknek a transzkripciós faktoroknak az indukciója humorális effektor molekulák (pl. AMP-k) termelését eredményezi, és az immunitásban részt vevő sejtek proliferációját és differenciálódását indukálhatja. A különböző osztályú vérsejtek termelődése az immunválasz sejtes komponensének kiemelkedő aspektusa, mind a veleszületett, mind a szerzett immunitásban. Ezekben a vérsejtekben jelátviteli kaszkádok is szabályozódnak, hogy olyan sejttulajdonságokat és fehérjéket indukáljanak, amelyek a parazita kiürítését eredményezik. Az immunválaszok erősségének, specificitásának, időzítésének és időtartamának szabályozásához a molekuláris hálózatokat citokinek, proteázok és más jelátviteli útvonalakkal való keresztbeszélgetések modulálják (Liew és mtsai., 2005; Aggarwal és Silverman, 2008). Ide tartoznak a változatos poszt-transzkripciós szabályozó hálózatok is (Ivanov és Anderson, 2013; Carpenter és mtsai., 2014).

1. ÁBRA
www.frontiersin.org

1. ábra. Az immunitás genetikai hálózatainak sematikus ábrázolása. (A) Több, egymással összekapcsolt hálózat koordinálja az immunrendszeri kihívásra adott válaszokat. Ezek a hálózatok fehérjékből állnak (körökkel ábrázolva), amelyek egymással kölcsönhatásba lépve egy jelátviteli kaszkádban szabályozzák a transzkripciós faktorok (hatszögekkel ábrázolva) expresszióját. A központi jelátviteli útvonalak (pl. IMD, Toll vagy Jak/Stat, a fehérjék között vastag vonalakkal jelezve) aktiválása olyan effektor molekulák termelődését eredményezi, mint az antimikrobiális peptidek (pite alakú szimbólumokkal ábrázolva) és a specializált (vér)sejtek (felhő alakú ábrák) proliferációját és differenciálódását. A sejteken kívüli és membránhoz kötött receptormolekulák (hold alakú ábrák) indukálják az útvonalakat. Az aktivitást számos más fehérje tovább modulálhatja, amelyek kölcsönhatásba lépnek az útvonalakkal, és keresztbeszélgetést folytatnak más útvonalakkal és genetikai hálózatokkal (a fehérjék közötti vékony vonalakkal jelezve). (B) Az immunitás genetikai hálózatainak központi elemei, pl. a transzkripciós faktorok és az ezekkel a transzkripciós faktorokkal közvetlen kapcsolatban álló fehérjék, gyakran erősen konzerváltak a különböző filágokban. A hálózatok perifériái felé kiterjedtebb evolúciós diverzifikáció tapasztalható.

Az immunválaszok evolúciós változásainak mozgatórugói a fertőzésnek a gazdákra gyakorolt magas fitneszköltségei, az immunitás költségei, a gazdákat fenyegető kórokozók és paraziták gazdag diverzitása, valamint a gazdák és kórokozók közötti dinamikus koevolúciós fegyverkezési verseny együttes hatásai (Schmid-Hempel, 2003). E szempontok bármelyike vagy mindegyike működhet a gazdaszervezet helyi környezetében, és erős szelekciós nyomást eredményezhet. A szelekció típusa azonban az irányított szelekciótól a tisztító szelekción át a kiegyensúlyozó szelekcióig változik, attól függően, hogy a gazdapopuláció milyen költségeket és előnyöket tapasztal a helyi környezetében. Például egy helyi közösséget megszálló, rendkívül virulens kórokozó szelektív söprést vagy irányított szelekciót okozhat bizonyos rezisztenciaallélok számára, mivel csak az ilyen alléllal rendelkező gazdaszervezetek járulhatnak hozzá a következő generációkhoz. Alternatív megoldásként a kórokozók változatos vagy együttfejlődő közössége frekvenciafüggő vagy kiegyenlítő szelekciót indíthat el, ami a genetikai variáció fenntartásának kedvez. Az immunválaszok evolúciója tükrözi mind ezeket a parazitával való koevolúciós dinamikákat, mind pedig az immunrendszer fiziológiai és ökológiai költségeit (Kraaijeveld et al., 2002; Rolff és Siva-Jothy, 2003; Schmid-Hempel, 2005; Lazzaro és Little, 2009).

A Drosophila immunitás evolúciós változásának genomikai alapja

Míg az immunválaszok központi gépezete erősen konzervált, a kiterjesztett molekuláris hálózatok számos összetevője gyorsan fejlődhet vagy diverzifikálódhat (1B ábra). Drosophilában gyors evolúciós változásról számoltak be az immunválasz receptorai és effektorai esetében (Sackton et al., 2007; Obbard et al., 2009; Salazar-Jaramillo et al., 2014). Ezek a molekulák a gazdaszervezet és a kórokozó közötti határfelületen működnek, és ezért kulcsfontosságúak a behatoló szervezet gazdaszervezet általi felismerésében, valamint az immunválasz kórokozóra gyakorolt célzott és antagonista hatásainak közvetítésében. Ugyanakkor a parazita szelekció alatt áll, hogy észrevétlen maradjon, hogy elkerülje vagy enyhítse az immunválasz antagonista hatásait. Ezért Red Queen dinamika várható ezekre a határfelületen lévő molekulákra, és az immunválaszokat moduláló molekulákra. Mindkét fél igyekszik fölénybe kerülni az antagonisztikus fegyverkezési versenyben, kölcsönösen változást idézve elő a felek genetikai hálózataiban. A receptor-, modulátor- és effektor-molekulák diverzifikációja többnyire génduplikációk és gyors szekvencia-változások révén valósul meg (Drosophila 12 Genomes Consortium et al., 2007; Sackton et al., 2007; Salazar-Jaramillo et al., 2014).

A Drosophila parazitoid darazsak elleni immunválaszát vizsgáltuk modellrendszerként az evolúciós folyamatok genomikai alapjainak megértéséhez. A Drosophila lárvák különböző parazitoid fajok gazdái, amelyek ezekben a lárvákban petéznek (Fleury et al., 2009). Miután a parazitoid tojás kikelt (∼2-4 nappal a parazitoid támadás után, a parazitoid fajtól és a hőmérséklettől függően), a parazitoid lárva táplálkozni kezd a gazdaszervezetből és elpusztítja azt. Néhány Drosophila fajnak van egy védekezési mechanizmusa a parazitoidok ellen egy veleszületett immunválasz, az úgynevezett melanotikus tokozás révén. Ez az immunválasz celluláris és humorális komponensekből áll, amelyek együttesen hatnak a parazitoid peték elkülönítésére és elpusztítására. A parazitoidtámadás olyan immunrendszeri jelátviteli utakat indít el, amelyek (i) a hemociták (azaz rovarvérsejtek) két osztályának proliferációját és differenciálódását indukálják, amelyek a parazitoidtojáshoz és egymáshoz tapadnak, valamint (ii) melanin lerakódását a parazitoidtojásra és a parazitoidtojást körülvevő sejtes kapszulára (Lemaitre és Hoffmann, 2007). A gazdaszervezetnek a teljes kapszulázást és melanizációt be kell fejeznie, mielőtt a parazitoid tojás kikelne, hogy túlélje a parazitoid-fertőzést.

A genomika korszakát megelőzően számos olyan gént azonosítottak, amelyek részt vettek a parazitoid darazsak elleni immunválaszban. A Toll és a Jak/Stat útvonalakat a hemocita proliferáció és differenciálódás, a profenoloxidáz útvonalat pedig a melanizáció központi összetevőjeként azonosították (áttekintve Brennan és Anderson, 2004). Ezt követően két microarray-vizsgálatot végeztünk, hogy további, a parazitoidtámadást követő melanotikus tokozásban potenciálisan részt vevő géneket azonosítsunk. Ez a megközelítés számos további, korábban a parazitoidok elleni immunválaszhoz nem kapcsolódó gént emelt ki, és feltárta hatásuk időzítését (Wertheim és mtsai., 2005; Schlenke és mtsai., 2007). A vizsgálatok számos összehangolt és funkcionálisan összefüggő géncsoportot tártak fel, amelyek az immunválasz egy része során átmenetileg fel- vagy leszabályozódtak (Wertheim és mtsai., 2005). Érdekes módon kimutatták, hogy két parazitoid faj virulencia-mechanizmusa különbözött abban, hogy hogyan avatkozott be a gazdák válaszának genetikai hálózatába: az egyik faj a teljes hálózat kezdeti aktiválását szüntette meg, míg egy másik faj a kaszkád utolsó lépését célozta meg (Schlenke et al., 2007).

A Drosophila-fajok nagymértékben különböznek a parazitoidok elleni immunitásban. Egyes fajok teljesen fogékonyak a parazitoidokkal szemben, és ezt immunhiányként jelentették (Eslin és Doury, 2006). Közelebbről megvizsgálva azonban kiderült, hogy a parazitoidrezisztencia nem minden Drosophila-fajban közös, hanem csak néhány kládra korlátozódik. Kimutattuk, hogy az egyik ilyen kládban, a melanogaster alcsoportban a parazitoid-rezisztencia evolúciós térnyerése egy új típusú vérsejt, a lamellociták térnyerésével járt együtt, amely szintén ugyanerre a kládra korlátozódik (Salazar-Jaramillo et al., 2014). Néhány, a melanogaster alcsoporton kívüli Drosophila faj is képes a parazitoid peték tokozására, de úgy tűnik, hogy a tokozási válaszhoz más típusú vérsejteket fejlesztettek ki (Havard et al., 2012; Márkus et al., 2015). A parazitoidok elleni immunválasz egymástól függetlenül fejlődött ki a különböző rovartaxonokban, gyakran kissé eltérő mechanizmusokkal és vérsejttípusokkal (Lavine és Strand, 2002). A veleszületett immunrendszer evolúciója tehát magában foglalja új komponensek vagy “modulok” hozzáadását. Ez felveti a kérdést, hogyan változik a genom egy új modul megszerzése során.

Az összehasonlító genomika kimutatta, hogy a melanogaster alcsoportban egy új típusú vérsejt megszerzése ellenére a lamellociták differenciálódásához ismert gének nagyrészt konzerváltak az egész filogeniában. Azok a fajok is rendelkeznek ezekkel a lamellociták differenciálódásához szükséges génekkel, amelyek nem termelnek lamellocitákat a parazitoidok támadására válaszul. Ráadásul ezek a gének kevés divergenciát vagy szelekciós jelet mutatnak, míg ez az új funkciót kapott gének esetében elvárható lenne. Ez azt jelzi, hogy a hemocita-differenciálódás meglévő jelátviteli útvonalait a környező géninterakciós hálózat modulálja, hogy a melanogaster alcsoportban egy új típusú vérsejtet hozzon létre. A meglévő alapvető hemocita proliferációs útvonal kooptálása valószínűleg a génkölcsönhatás-hálózat más vagy új komponensek hozzáadásával valósul meg (Salazar-Jaramillo és mtsai., 2014). Több olyan új gént azonosítottunk, amelyek a lamellociták megszerzése körül keletkeztek, és a parazitoidok elleni immunválasz során differenciálisan expresszálódnak, köztük receptormolekulákat és szerin típusú proteázokat (Salazar-Jaramillo és mtsai., 2014). Feltételezésünk szerint különösen a szerin típusú endopeptidázok játszhatnak döntő szerepet a géninterakciós hálózat e bővülésében. E molekulák jelentős része a lamellociták megszerzésének idején keletkezett, az immunválasz megfelelő pillanatában expresszálódnak, és erős pozitív szelekciós jeleket mutatnak (Wertheim és mtsai., 2005; Salazar-Jaramillo és mtsai., 2014).

Az immunválaszok egyetlen fajon, a D. melanogasteren belül is nagy genetikai variációt mutatnak. Az Európa-szerte gyűjtött szabadföldi populációk jelentős különbségeket mutatnak a parazitoidák petéinek sikeres tokozására való képességben (Kraaijeveld és van Alphen, 1995; Kraaijeveld és Godfray, 1999; Gerritsma és mtsai., 2013). Úgy tűnik, az erős immunvédelem költségei és előnyei földrajzilag különböznek, ami a koadaptált genetikai hálózatok modulációjához és differenciálódásához vezet. Ez tükröződött a parazitoidtámadást követő hemocita válaszban is. A szabadföldi vonalak jelentős eltéréseket mutattak a különböző hemociták abszolút és relatív számában, amelyeket parazitoidtámadásra válaszul termeltek, még a kapszulázásban rendkívül sikeres vonalak között is (Gerritsma et al., 2013). Ez ismét hangsúlyozza, hogy egy populáció genetikai háttere és a kombinált helyi szelekciós nyomás alternatív evolúciós válaszokat eredményez. Több populációból származó rezisztens és fogékony egyedek genomjának összehasonlítása feltárhatja a tulajdonság genetikai architektúrájának adaptív variációját.

A fokozott rezisztencia evolúciója során a genomban bekövetkező változások feltérképezéséhez kísérleti evolúciót végeztünk a parazitoidrezisztencia tekintetében. Laboratóriumban egy nagyszámú kitenyésztett populációt tettünk ki parazitoidoknak. Csak azok a lárvák járulhattak hozzá a következő generációhoz, amelyeknek sikerült túlélniük a parazitoidok támadását. Ezzel a módszerrel mindössze öt generációs szelekció után 20-ról ∼50%-ra növeltük a parazitoidtámadást túlélő lárvák rezisztenciaszintjét. Amikor a szelektált populációkban a génexpresszió változását mértük a kontrollvonalak génexpressziójához képest, még a parazitoidtámadás előtt, több száz olyan gént találtunk, amelyek enyhén eltérően szabályozottak voltak (Wertheim és mtsai., 2011). A változások többnyire olyan géneket érintettek, amelyek az immunválasz során nem fejeződtek ki differenciálisan, ami arra utal, hogy az evolúciós változások nem a parazitoidtámadást megelőzően aktiválták előzetesen az immunválaszt, hanem a kanonikus fejlődési útvonalat modulálták, ami a védekező képességek növekedéséhez (is) vezetett. Megismételtük ezt a kísérletet, majd szekvenáltuk a szelektált és a kontroll populációk genomját. A fokozott ellenálló képességet kifejlesztett vonalak genomjában a genom több, szűken vett régióján találtunk szelekcióra utaló jeleket (Jalvingh et al., 2014). E régiók némelyike átfedésben volt azokkal a régiókkal is, amelyek a fokozott rezisztenciára való szelekciót követően megváltozott expressziót mutattak (Wertheim és mtsai., 2011; Jalvingh és mtsai., 2014). Így egy gyors és erős szelekciós söprés egy olyan összetett tulajdonságon, mint az immunitás, még mindig hatással lehet több, de erősen lokalizált genomi régióra.”

A jövő kihívásai

Hogyan fogjuk összeegyeztetni a hosszú távú evolúciós változásokat, például az új gének megszerzését a génkölcsönhatási hálózatokban, és a rövid távú evolúciós változásokat, például a szekvencia-variánsokat, amelyek végigsöpörhetnek egy populáción? Ennek kulcsa, hogy (i) rekonstruáljuk a komplex tulajdonságok alapjául szolgáló génkölcsönhatási hálózatot, és (ii) jellemezzük a genetikai variáció szerepét ezeken a hálózatokon belül. A genetikai hálózatok új génekkel bővülhetnek, például duplikációk révén, összekapcsolódhatnak más hálózatokkal vagy modulokkal, és a kis szekvencia-variációk módosíthatják a hálózatok aktivitását és topológiáját. Ha a genetikai hálózatokat fel tudjuk bontani, és értékelni tudjuk a genetikai variánsok szerepét a hálózati kontextusban, akkor ez végül lehetővé teszi számunkra annak meghatározását, hogy a genetikai variáció hogyan alakul át fenotípusos variációvá. Ez javítani fogja a komplex emberi betegségek molekuláris alapjainak, valamint a veleszületett és szerzett immunitás evolúciójának megértését is (Cooper és Alder, 2006; Manolio et al., 2009; Star et al., 2011; Mackay és Moore, 2014; Sironi et al., 2015).

A rendszerbiológiai megközelítések felbecsülhetetlen értékűek lesznek a komplex géninterakciós hálózatok feltárásában. Ott matematikai modelleket dolgoznak ki a tulajdonság mögött meghúzódó molekuláris mechanizmusok leírására és a hálózat kölcsönhatásban lévő összetevőinek csoportjai dinamikájának előrejelzésére. A modellek molekuláris genetikai és genomikai adatokon alapulnak. Jelenleg a rendszerbiológiát többnyire az egysejtű szervezetek meghatározott tulajdonságaira alkalmazzák, és ez tekinthető a megvalósíthatóság határának (Papp et al., 2011). Valószínű azonban, hogy ez a modell nem reprezentatív a szexuálisan szaporodó többsejtű szervezetek evolúciójára. Ahelyett, hogy arra várnánk, hogy az egyszerűsített modellek pontosan tükrözzék a kis részhálózatokat, ki kell fejlesztenünk és finomítanunk módszereinket a hatalmas mennyiségű genomikai adatból származó emergens tulajdonságok felhasználására és számszerűsítésére. A géninterakciós hálózatokra fehérje-fehérje vagy transzkript korrelációs vagy koexpressziós mátrixokból következtethetünk (Shannon et al., 2003; Langfelder és Horvath, 2008), és ezeket természetes variánselemzésekkel egyesíthetjük (Nuzhdin et al., 2012). Ezeket a módszereket és alternatív megközelítéseket tovább kell fejlesztenünk, hogy a genomikai adatokon végzett méréseinket teljes mértékben ki tudjuk használni, és ezeket a kvantitatív méréseket hálózati elemzésekké tudjuk alakítani. Bár a genomikai adatok önmagukban nem adnak teljes választ arra, hogy mi határozza meg az élet adaptációs képességét, lehetővé teszik számszerűsíteni és megfigyelni, hogy mi történik molekuláris szinten az evolúció során. Ha ezt kombináljuk és integráljuk a környezeti heterogenitással, mint az alkalmazkodás hajtóerejével, talán képesek leszünk feltárni az alkalmazkodás és az evolúció összetett molekuláris mechanizmusait.

Érdekütközésre vonatkozó nyilatkozat

A szerző kijelenti, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végeztem, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Köszönet

Köszönöm Kirsten Jalvinghnek, Laura Salazar-Jaramillónak és Sylvia Gerritsmának az értékes vitákat. BW-t a Holland Tudományos Kutatási Szervezet (NWO; 864.08.008-as támogatás) támogatta.

Aggarwal, K., and Silverman, N. (2008). A Drosophila immunválasz pozitív és negatív szabályozása. BMB Rep. 41, 267-277. doi: 10.5483/BMBRep.2008.41.4.267

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Ayroles, J. F., Carbone, M. A., Stone, E. A., Jordan, K. W., Lyman, R. F., Magwire, M. M., et al. (2009). Komplex tulajdonságok rendszergenetikája a Drosophila melanogasterben. Nat. Genet. 41, 299-307. doi: 10.1038/ng.332

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Brennan, C. A., and Anderson, K. V. (2004). Drosophila: a veleszületett immunfelismerés és -válasz genetikája. Annu. Rev. Immunol. 22, 457-483. doi: 10.1146/annurev.immunol.22.012703.104626

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Buchmann, K. (2014). A veleszületett immunitás evolúciója: nyomok a gerinctelenektől a halakon át az emlősökig. Front. Immunol. 5:459. doi: 10.3389/fimmu.2014.00459

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Carpenter, S., Ricci, E. P., Mercier, B. C., Moore, M. J., and Fitzgerald, K. A. (2014). A génexpresszió poszt-transzkripcionális szabályozása a veleszületett immunitásban. Nat. Rev. Immunol. 14, 361-376. doi: 10.1038/nri3682

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Cooper, M. D., and Alder, M. N. (2006). Az adaptív immunrendszerek evolúciója. Cell 124, 815-822. doi: 10.1016/j.cell.2006.02.001

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Dobzhansky, T. (1964). Biológia, molekuláris és szervezeti. Am. Zool. 4, 443-452.

PubMed Abstract | Google Scholar

Drosophila 12 Genomes Consortium, Clark, A. G., Eisen, M. B., Smith, D. R., Bergman, C. M., Oliver, B., et al. (2007). A gének és genomok evolúciója a Drosophila filogeniáján. Nature 450, 203-218. doi: 10.1038/nature06341

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Edwards, A. C., Ayroles, J. F., Stone, E. A., Carbone, M. A., Lyman, R. F., and Mackay, T. F. C. (2009). A Drosophila agresszív viselkedésének természetes variációjával összefüggő transzkripciós hálózat. Genome Biol. 10, R76. doi: 10.1186/gb-2009-10-7-r76

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Eslin, P., and Doury, G. (2006). A Drosophila subobscura légy: a veleszületett immunitás hiányának természetes esete. Dev. Comp. Immunol. 30, 977-983. doi: 10.1016/j.dci.2006.02.007

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Evans, C. J., Hartenstein, V., and Banerjee, U. (2003). Vastagabb, mint a vér: konzervált mechanizmusok a Drosophila és a gerincesek vérképzésében. Dev. Cell 5, 673-690. doi: 10.1016/S1534-5807(03)00335-6

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Fay, J. C., McCullough, H. L., Sniegowski, P. D., and Eisen, M. B. (2004). A génexpresszió populációgenetikai variációja összefügg a fenotípusos variációval Saccharomyces cerevisiae-ben. Genome Biol. 5, R26. doi: 10.1186/gb-2004-5-4-r26

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Fleury, F., Gibert, P., Ris, N., and Allemand, R. (2009). A frugivorous Drosophila parazitoidák ökológiája és élettörténeti evolúciója. Adv. Parasitol. 70, 3-44. doi: 10.1016/S0065-308X(09)70001-6

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Gasch, A. P., Spellman, P. T., Kao, C. M., Carmel-Harel, O., Eisen, M. B., Storz, G., et al. (2000). Genomi expressziós programok az élesztősejtek környezeti változásokra adott válaszában. Mol. Biol. Cell 11, 4241-4257. doi: 10.1091/mbc.11.12.4241

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Gerritsma, S., de Haan, A., van de Zande, L., and Wertheim, B. (2013). A differenciált hemociták természetes variációja összefügg a parazitoid rezisztenciával Drosophila melanogasterben. J. Insect Physiol. 59, 148-158. doi: 10.1016/j.jinsphys.2012.09.017

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Havard, S., Doury, G., Ravallec, M., Brehélin, M., Prevost, G., and Eslin, P. (2012). Az obscura csoport két Drosophila faja által termelt pszeudopodocita, egy bozontos immunsejt szerkezeti és funkcionális jellemzése. Dev. Comp. Immunol. 36, 323-331. doi: 10.1016/j.dci.2011.05.009

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Hunt, P., Martinelli, A., Modrzynska, K., Borges, S., Creasey, A., Rodrigues, L., et al. (2010). Kísérleti evolúció, genetikai elemzés és genom-újraszekvenálás feltárja az artemizinin-rezisztenciát adó mutációt a maláriaparaziták egy izogén vonalában. BMC Genomics 11:499. doi: 10.1186/1471-2164-11-499

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Ivanov, P., and Anderson, P. (2013). Poszt-transzkripciós szabályozó hálózatok az immunitásban. Immunol. Rev. 253, 253-272. doi: 10.1111/imr.12051

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Jalvingh, K. M., Chang, P. L., Nuzhdin, S. V., and Wertheim, B. (2014). Genomikai változások a gyors evolúció során: szelekció a parazitoid rezisztenciára. Proc. Biol. Sci. 281, 20132303. doi: 10.1098/rspb.2013.2303

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Jones, F. C., Grabherr, M. G., Chan, Y. F., Russell, P., Mauceli, E., Johnson, J., et al. (2012). Az adaptív evolúció genomikai alapjai a háromszárnyú pálcikacsápokban. Nature 484, 55-61. doi: 10.1038/nature10944

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Knight, C. G., Zitzmann, N., Prabhakar, S., Antrobus, R., Dwek, R., Hebestreit, H., et al. (2006). Az adaptív evolúció feltárása: hogyan befolyásolja egyetlen pontmutáció a fehérje koregulációs hálózatot. Nat. Genet. 38, 1015. doi: 10.1038/ng1867

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Kraaijeveld, A. R., and Godfray, H. C. J. (1999). Földrajzi minták a rezisztencia és virulencia evolúciójában a Drosophila és parazitoidái esetében. Am. Nat. 153, S61-S74. doi: 10.1086/303212

CrossRef Full Text | Google Scholar

Kraaijeveld, A. R., Ferrari, J., and Godfray, H. C. J. (2002). A rezisztencia költségei rovar-parazita és rovar-parazitoid kölcsönhatásokban. Parasitology 125(Suppl.), S71-S82. doi: 10.1017/S0031182002002001750

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Kraaijeveld, A. R., and van Alphen, J. J. M. (1995). Földrajzi variáció a Drosophila melanogaster lárvák beékelődési képességében és bizonyíték parazitoid-specifikus komponensekre. Evol. Ecol. 9, 10-17. doi: 10.1007/BF01237692

CrossRef Full Text | Google Scholar

Langfelder, P., and Horvath, S. (2008). WGCNA: R csomag súlyozott korrelációs hálózatelemzéshez. BMC Bioinformatics 9:559. doi: 10.1186/1471-2105-9-559

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Lavine, M. D., and Strand, M. R. (2002). A rovarok hemocitái és szerepük az immunitásban. Insect Biochem. Mol. Biol. 32, 1295-1309. doi: 10.1016/S0965-1748(02)00092-9

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Lazzaro, B. P., and Little, T. J. (2009). Immunitás egy változó világban. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 364, 15-26. doi: 10.1098/rstb.2008.0141

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Lazzaro, B. P., and Schneider, D. S. (2014). Az immunitás genetikája. G3 (Bethesda) 4, 943-945. doi: 10.1534/g3.114.011684

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Lehner, B. (2013). A genotípustól a fenotípusig: a modellorganizmusok tanulságai a humángenetika számára. Nat. Rev. Genet. 14, 168-178. doi: 10.1038/nrg3404

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Lemaitre, B., and Hoffmann, J. (2007). A Drosophila melanogaster gazdavédelme. Annu. Rev. Immunol. 25, 697-743. doi: 10.1146/annurev.immunol.25.022106.141615

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Liew, F. Y., Xu, D., Brint, E. K., and O’Neill, L. A. J. (2005). A Toll-szerű receptorok által közvetített immunválaszok negatív szabályozása. Nat. Rev. Immunol. 5, 446-458. doi: 10.1038/nri1630

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Linnen, C. R., Poh, Y.-P., Peterson, B. K., Barrett, R. D. H., Larson, J. G., Jensen, J. D., et al. (2013). Több tulajdonság adaptív evolúciója egyetlen gén több mutációján keresztül. Science 339, 1312-1316. doi: 10.1126/science.1233213

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Mackay, T. F., and Moore, J. H. (2014). Miért fontos az episztázis a komplex humán betegséggenetika kezelésében. Genome Med. 6, 42. doi: 10.1186/gm561

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Manolio, T. A., Collins, F. S., Cox, N. J., Goldstein, D. B., Hindorff, L. A., Hunter, D. J., et al. (2009). A komplex betegségek hiányzó örökölhetőségének megtalálása. Nature 461, 747-753. doi: 10.1038/nature08494

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Márkus, R., Lerner, Z., Honti, V., Csordás, G., Zsámboki, J., Cinege, G., et al. (2015). A többmagvú óriás hemociták effektor sejtek a Drosophila sejtközvetített immunválaszában. J. Innate Immun. doi: 10.1159/000369618 .

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Moore, J. H., and Williams, S. M. (eds). (2015). Episztázis. New York, NY: Springer. doi: 10.1007/978-1-4939-2155-3

CrossRef Full Text | Google Scholar

Nagy, A., Perrimon, N., Sandmeyer, S., and Plasterk, R. (2003). A genom testreszabása: a genetikai megközelítések ereje. Nat. Genet. 33(Suppl.), 276-284. doi: 10.1038/ng1115

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Nowick, K., Gernat, T., Almaas, E., and Stubbs, L. (2009). Az emberi és csimpánz génexpressziós mintázatok különbségei meghatározzák a transzkripciós faktorok fejlődő hálózatát az agyban. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 22358-22363. doi: 10.1073/pnas.0911376106

PubMed Abstract | Ref Full Text | Google Scholar

Nuzhdin, S. V., Friesen, M. L., and McIntyre, L. M. (2012). Genotípus-fenotípus térképezés a GWAS utáni világban. Trends Genet. 28, 421-426. doi: 10.1016/j.tig.2012.06.003

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Obbard, D. J., Welch, J. J., Kim, K.-W., and Jiggins, F. M. (2009). Az adaptív evolúció számszerűsítése a Drosophila immunrendszerében. PLoS Genet. 5:e1000698. doi: 10.1371/journal.pgen.1000698

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Papp, B., Notebaart, R. A., and Pál, C. (2011). Rendszerbiológiai megközelítések a genomi evolúció előrejelzéséhez. Nat. Rev. Genet. 12, 591-602. doi: 10.1038/nrg3033

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Pedra, J. H. F., McIntyre, L. M., Scharf, M. E., and Pittendrigh, B. R. (2004). Szabadföldi és laboratóriumban szelektált diklór-difenil-triklór-etán (DDT)-rezisztens Drosophila genom-szintű transzkripciós profilja. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 7034-7039. doi: 10.1073/pnas.0400580101

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Phillips, P. C. (2008). Episztázis – a génkölcsönhatások alapvető szerepe a genetikai rendszerek szerkezetében és evolúciójában. Nat. Rev. Genet. 9, 855-867. doi: 10.1038/nrg2452

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Rolff, J., and Siva-Jothy, M. T. (2003). Gerinctelenek ökológiai immunológiája. Science 301, 472-475. doi: 10.1126/science.1080623

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Sackton, T. B., Lazzaro, B. P., Schlenke, T. A., Evans, J. D., Hultmark, D., and Clark, A. G. (2007). A veleszületett immunrendszer dinamikus evolúciója Drosophilában. Nat. Genet. 39, 1461-1468. doi: 10.1038/ng.2007.60

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Salazar-Jaramillo, L., Paspati, A., van de Zande, L., Vermeulen, C. J., Schwander, T., and Wertheim, B. (2014). A sejtes immunválasz evolúciója Drosophilában: fenotípusos és genomikai összehasonlító elemzés. Genome Biol. Evol. 6, 273-289. doi: 10.1093/gbe/evu012

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Schadt, E. E. (2009). Molekuláris hálózatok mint a gyakori emberi betegségek szenzorai és mozgatórugói. Nature 461, 218-223. doi: 10.1038/nature08454

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Schlenke, T. A., Morales, J., Govind, S., and Clark, A. G. (2007). Kontrasztos fertőzési stratégiák a Drosophila melanogaster generalista és specialista darázs parazitoidjaiban. PLoS Pathog. 3:e158. doi: 10.1371/journal.ppat.0030158

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Schmid-Hempel, P. (2003). Az immunvédekezés variációja mint evolúciós ökológiai kérdés. Proc. R. Soc. B Biol. Sci. 270, 357-366. doi: 10.1098/rspb.2002.2265

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Schmid-Hempel, P. (2005). A rovarok immunvédekezésének evolúciós ökológiája. Annu. Rev. Entomol. 50, 529-551. doi: 10.1146/annurev.ento.50.071803.130420

PubMed Abstract | Ref Full Text | Google Scholar

Shannon, P., Markiel, A., Ozier, O., Baliga, N. S., Wang, J. T., Ramage, D., et al. (2003). Cytoscape: Szoftverkörnyezet biomolekuláris kölcsönhatási hálózatok integrált modelljeihez. Genome Res. 13, 2498-2504. doi: 10.1101/gr.1239303

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Silverman, N., and Maniatis, T. (2001). NF-κB jelátviteli útvonalak az emlősök és rovarok veleszületett immunitásában. Genes Dev. 15, 2321-2342. doi: 10.1101/gad.909001

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Sironi, M., Cagliani, R., Forni, D., and Clerici, M. (2015). Evolutionary insights in host-pathogen interactions from mammalian sequence data. Nat. Rev. Genet. 16, 224-236. doi: 10.1038/nrg3905

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Stapley, J., Reger, J., Feulner, P. G. D., Smadja, C., Galindo, J., Ekblom, R., et al. (2010). Adaptációs genomika: a következő generáció. Trends Ecol. Evol. 25, 705-712. doi: 10.1016/j.tree.2010.09.002

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Star, B., Nederbragt, A. J., Jentoft, S., Grimholt, U., Malmstrøm, M., Gregers, T. F., et al. (2011). Az atlanti tőkehal genomszekvenciája egyedülálló immunrendszert tár fel. Nature 477, 207-210. doi: 10.1038/nature10342

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Stearns, F. W. (2010). A pleiotrópia száz éve: egy visszatekintés. Genetics 186, 767-773. doi: 10.1534/genetics.110.122549

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Storz, J. F., and Wheat, C. W. (2010). Evolúciós és funkcionális megközelítések integrálása a specifikus lókuszok adaptációjára való következtetés érdekében. Evolution 64, 2489-2509. doi: 10.1111/j.1558-5646.2010.01044.x

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Tenaillon, O., Rodríguez-Verdugo, A., Gaut, R. L., McDonald, P., Bennett, A. F., Long, A. D., et al. (2012). Az adaptív konvergencia molekuláris sokfélesége. Science 335, 457-461. doi: 10.1126/science.1212986

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Turner, T. L., Stewart, A. D., Fields, A. T., Rice, W. R., and Tarone, A. M. (2011). Kísérletileg evolvált populációk populáció alapú újraszekvenálása feltárja a testméret-variáció genetikai alapjait a Drosophila melanogasterben. PLoS Genet. 7:e1001336. doi: 10.1371/journal.pgen.1001336

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Wagner, G. P., and Altenberg, L. (1996). Komplex adaptációk és az evolválhatóság evolúciója. Evolution 50, 967-976. doi: 10.2307/2410639

CrossRef Full Text | Google Scholar

Wertheim, B., Kraaijeveld, A. R., Hopkins, M. G., Walther Boer, M., and Godfray, H. C. (2011). A parazitizmussal szembeni fokozott ellenállás evolúciójának funkcionális genomikai vizsgálata Drosophilában. Mol. Ecol. 20, 932-949. doi: 10.1111/j.1365-294X.2010.04911.x

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Wertheim, B., Kraaijeveld, A. R., Schuster, E., Blanc, E., Hopkins, M., Pletcher, S. D., et al. (2005). Genomszintű génexpresszió parazitoid támadásra adott válaszként Drosophila-ban. Genome Biol. 11, R94. doi: 10.1186/gb-2005-6-11-r94

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Zak, D. E., Tam, V. C., and Aderem, A. (2014). A veleszületett immunitás rendszerszintű elemzése. Annu. Rev. Immunol. 32, 547-577. doi: 10.1146/annurev-immunol-032713-120254

PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.