Φυσική επιλογή στο μοριακό επίπεδο

Όταν πριν από περίπου 150.000 μετακινήθηκαν από την Αφρική οι πρώτοι άνθρωποι, όπου ζούσαν στις πεδιάδες του Τίγρη και του Ευφράτη, ναυσιπλοώντας μεταξύ των νήσων της Ινδονησίας και ταξιδεύοντας από τον Βερίγγειο Πορθμό στην Αμερική, είχαν να αντιμετωπίσουν πολλές προκλήσεις. Προερχόμενοι από τις ξηρές και θερμές Αφρικάνικες σαβάνες, οι πληθυσμοί θα έπρεπε να προσαρμοστούν στις τοπικές συνθήκες. Από γενιά σε γενιά η φυσιολογία και η εμφάνισή τους άλλαξαν προς αυτή την κατεύθυνση (Harris & Meyer, 2008). Το δέρμα τους έγινε ανοιχτόχρωμο, αφού πια ζούσαν σε λιγότερο ηλιόλουστες περιοχές (Lamason et al., 2005). Οι πληθυσμοί των οποίων τα μέλη έπιναν γάλα από εξημερωμένα ζώα, διατήρησαν την ικανότητα να διασπούν λακτόζη στην ενηλικίωση, χαρακτηριστικό που εξέλειπε αμέσως μετά την νηπιακή ηλικία σε πληθυσμούς που δεν έπιναν γάλα (Tishkoff et al., 2007). Οι πληθυσμοί που έτρωγαν φαγητό πλούσιο σε άμυλο παρήγαγαν περισσότερη αμυλάση στο σάλιο τους, το ένζυμο που βοηθά στη διάσπαση του αμύλου (Perry et al., 2007).

Μερικές τουλάχιστον από αυτές τις αλλαγές θεωρούνται συνέπεια θετικής επιλογής (δείτε στο γλωσσάρι για όλους τους όρους με πλάγια γράμματα). Αυτό υποδηλώνει πως σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον (η πίεση επιλογής) του παρελθόντος, άτομα που διέθεταν μία πλεονεκτική αλληλουχία DNA κατόρθωσαν να επιβιώσουν και να αφήσουν περισσότερους απογόνους σε σχέση με τα άτομα που διέθεταν μία διαφορετική, λιγότερο πλεονεκτική, αλληλουχία. Σήμερα, με τη χρήση των αλληλουχιών του γενώματος αρκετών ειδών, όπως του ανθρώπου και των στενά συγγενικών του ειδών, οι επιστήμονες μπορούν να συγκρίνουν χαρακτηριστικά και αλληλουχίες DNA από πληθυσμούς ή είδη με διαφορετικά πρότυπα ζωής και από διαφορετικά περιβάλλοντα. Με τον τρόπο αυτό κατορθώνουν να διαπιστώσουν ποιες αλληλουχίες ίσως έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στις προσαρμογές. Αυτό επιπλέον, επιτρέπει στους ερευνητές να διερευνήσουν τη λειτουργία μίας αλληλουχίας DNA και την πιθανή προσαρμοστική αξία της για έναν οργανισμό.

Μερικά από τα ανθρώπινα γονίδια που είναι γνωστό πως επηρεάζουν το χρώμα του δέρματος, εμφανίζουν συγκεκριμένο γεωγραφικό πρότυπο των πολυμορφισμών τους. Ειδικότερα, συγκρίσεις αλληλουχιών μεταξύ πληθυσμών Ευρωπαίων και Αφρικανών προτείνουν πως η ποικιλομορφία στο χρώμα του δέρματος οφείλεται σε θετική επιλογή. Ανοιχτόχρωμο δέρμα σχετίζεται θετικά με μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη και έχουν προταθεί διάφορες υποθέσεις που εξηγούν τα πιθανά πλεονεκτήματα.

Μία από αυτές, η οποία στηρίζεται στο γεγονός πως το ανοιχτόχρωμο δέρμα ευνοεί την παραγωγή της βιταμίνης D, ενισχύεται από τις παρατηρήσεις πως άνθρωποι με σκουρόχρωμο δέρμα που κατοικούν σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη υποφέρουν από ανεπάρκεια βιταμίνης D. Επιπλέον, το ανοιχτόχρωμο δέρμα είναι ευπαθές στις επιβλαβείς επιδράσεις του ήλιου: μεγαλύτερη έκθεση στον ήλιο σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης καρκίνου σε ανθρώπους με ωχρό δέρμα. Ως εκ τούτου, το ωχρόχρωμο δέρμα των ανθρώπινων πληθυσμών που ζουν σε μεγαλύτερα γεωγραφική πλάτη ίσως αποτελεί έναν εξελικτικό συμβιβασμό: μεταξύ της ανάγκης για προστασία από τις καρκινογενέσεις που οφείλονται στην ηλιακή ακτινοβολία και της εξασφάλισης ικανοποιητικής παραγωγής μίας θεμελιώδους βιταμίνης.

Αν και αυτή είναι μία ξεκάθαρη υπόθεση, η απόδειξη είναι έμμεση. Η απευθείας επίδειξη της προσαρμοστικής αξίας αυτού του χαρακτηριστικού θα απαιτούσε να διαπιστωθεί αν τα άτομα, σε μεγαλύτερη μήκη κύματος, με ωχρό δέρμα εμφανίζουν βελτιωμένους δείκτες επιβίωσης και αναπαραγωγής. Τέτοιες προσεγγίσεις, ειδικά για το ανθρώπινο είδος, είναι δύσκολες: πειράματα επιβίωσης (στα οποία άτομα με διαφορετικά χαρακτηριστικά εκτίθενται σε ένα περιβάλλον για να διαπιστωθεί ποια επιβιώνουν) δεν μπορούν να διεξαχθούν σε ανθρώπους και ο μεγάλος χρόνος ζωής μας, καθιστά δύσκολη τη διερεύνηση διαφορών στους αναπαραγωγικούς ρυθμούς. Επομένως, οι περιπτώσεις για τις οποίες είναι πιθανό να παρατηρηθεί η προσαρμοστική αξία οποιουδήποτε χαρακτηριστικού στους ανθρώπους είναι πολύ περιορισμένες – είναι όμως υπαρκτές.

Ένα παράδειγμα εμπλέκει δύο νοσήματα: τη δρεπανοκυτταρική αναιμία και την ελονοσία. Το γονίδιο που σχετίζεται με την δρεπανοκυτταρική αναιμία έχει δύο παραλλαγές, ή αλληλόμορφα: ένα «κανονικό» αλληλόμορφο και ένα που προκαλεί δρεπανοκυτταρική. Άτομα με δύο αλληλόμορφα δρεπανοκυτταρικής υποφέρουν από δρεπανοκυτταρική αναιμία βαριάς μορφής, ενώ την ίδια στιγμή αυτά που έχουν μόνο ένα τέτοιο αλληλόμορφο και ένα «κανονικό» δεν εμφανίζουν τόσο σοβαρά συμπτώματα. Δεδομένα θνησιμότητας προτείνουν πως το αλληλόμορφο της δρεπανοκυτταρικής μπορεί, παρ’ όλα αυτά, να προσφέρει πλεονέκτημα: στους πληθυσμούς που έρχονται σε επαφή με το παράσιτο της ελονοσίας, άτομα που έχουν ένα αλληλόμορφο δρεπανοκυτταρικής και ένα «κανονικό» είναι πιθανότερο να επιβιώσουν σε σχέση με τα άτομα που διαθέτουν δύο «κανονικά» αλληλόμορφο, καθώς το παράσιτο (Plasmodium falciparum) χρειάζεται υγιή κύτταρα του αίματος για να μολύνει και να πολλαπλασιαστεί. Ως εκ τούτου, η συχνότητα του αλληλομόρφου που προκαλεί δρεπανοκυτταρική αναιμία αυξάνεται σε πληθυσμούς που εκτίθενται στην ελονοσία και επομένως το αλληλόμορφο μπορεί να προσφέρει προσαρμοστικό πλεονέκτημα στο συγκεκριμένο περιβάλλον.

Ένα άλλο παράδειγμα που δείχνει την προσαρμοστική αξία ενός χαρακτηριστικού παρατηρείται σε θραύσμα του 17ου ανθρώπινου χρωμοσώματος. Το συγκεκριμένο θραύσμα είναι γνωστό πως έχει αναστραφεί στους προγόνους μας πριν από τρία εκατομμύρια χρόνια ή και παλαιότερα (Stefansson et al., 2005). Το γεγονός πως αυτή η παραλλαγή εξαπλώθηκε κατά μήκος των Ευρωπαϊκών πληθυσμών φανερώνει πως έχει επιλεχθεί θετικά, παρέχοντας ένα πλεονέκτημα στους φορείς του. Ερευνητές που διερεύνησαν αυτή την υπόθεση, ανέλυσαν τον γονότυπο 30.000 Ισλανδών και διαπίστωσαν πως τα τελευταία 80 χρόνια άτομα που φέρουν την συγκεκριμένη αλληλουχία έχουν 3.2% περισσότερους απογόνους ανά γενιά σε σχέση με τα άτομα που έχουν τη «φυσιολογική» ακολουθία. Η διαπίστωση αυτή εξηγεί ευλόγως γιατί αυτή η παραλλαγή κατόρθωσε να διασπαρθεί τόσο γρήγορα.
Αν και αμφότερα τα παραδείγματα αναδεικνύουν ξεκάθαρα τη δράση της θετικής επιλογής στους ανθρώπους, ο μοριακός μηχανισμός που εξηγεί πώς η παραλλαγή της αλληλουχίας προσφέρει το συγκεκριμένο πλεονέκτημα δεν είναι πλήρως κατανοητός και θα πρέπει να γίνει έρευνα άτομο προς άτομο. Προκειμένου οι επιστήμονες να διερευνήσουν την αιτιώδη σχέση μεταξύ υποτιθέμενων προσαρμοστικών αλληλουχιών DNA και την προσαρμοστικότητα ενός ατόμου, άρχισαν να μελετούν οργανισμούς στους οποίους είναι ευκολότερο να γίνουν πειράματα τα οποία δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν στους ανθρώπους.

Για παράδειγμα, το χρώμα τριχώματος του ποντικού Peromyscus polionotus ταιριάζει με το χώμα του ενδιαιτήματός του, παρέχοντάς του μοναδικό καμουφλάζ. Τα ποντίκια που διαβιούν στις ωχρόχρωμες αμμουδιές των παραλιών της Φλόριντα, είναι περισσότερο ανοιχτόχρωμα σε σχέση με τα άτομα του ίδιου είδους που διαβιούν στην ενδοχώρα. Η προσαρμοστική αξία αυτού του χαρακτηριστικού έχει αποδειχθεί πειραματικά εδώ και περίπου 30 χρόνια: ποντίκια με χρώμα τριχώματος που προσομοιάζει το χρώμα του εδάφους καταναλώνονταν από τις κουκουβάγιες με λιγότερη συχνότητα σε σχέση με τα άλλα, τα λιγότερα καμουφλαρισμένα ποντίκια. Παρ’ όλα αυτά οι επιστήμονες μόλις πρόσφατα έχουν εντοπίσει τους γενετικούς τόπους που ελέγχουν το συγκεκριμένο προσαρμοστικό χαρακτηριστικό (Hoekstra et al., 2006): η παραλλαγή στο χρώμα του τριχώματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από διαφορετικά αλληλόμορφα του γονιδίου McR1. Η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από αυτό το γονίδιο δρα ως βιοχημικός διακόπτης που οδηγεί στην παραγωγή είτε της ευμελανίνης, μιας σκουρόχρωμης χρωστικής του δέρματος, είτε της φαιομελανίνης, μιας ανοιχτόχρωμης χρωστικής. Τα διαφορετικά αλληλόμορφα του γονιδίου McR1 ενεργοποιούν σε διαφορετικό βαθμό το βιοχημικό μονοπάτι παραγωγής της χρωστικής, ευνοώντας την παραγωγή της μίας της άλλης μορφής της.

Ένα άλλο παράδειγμα που αποκαλύπτει αιτιώδης σχέση αφορά τον Staphylococcus aureus, ένα βακτήριο που μπορεί να προκαλέσει βαριάς μορφής νοσήματα όπως πνευμονία ή φλεγμονή στις βαλβίδες της καρδιάς. Σε ένα σπάνιο πείραμα σε άνθρωπο, ασθενής με περιοδικές μολύνσεις από S. Aureus λάμβανε τριμηνιαία θεραπευτική αγωγή με βανκομυκίνη, ένα από τα λιγοστά αντιβιοτικά που είναι ακόμα αποτελεσματικό στον S. aureus. Πριν και κατά τη διάρκεια των μεσοδιαστημάτων της θεραπείας, οι επιστήμονες συνέλεγαν (απομόνωναν) δείγματα του παθογόνου μικροβίου και αλληλούχισαν το συνολικό γονιδίωμα της πρώτης και της τελευταίας απομόνωσης. Όταν συνέκριναν τα τρία εκατομμύρια ζεύγη βάσεων (τα «γράμματα» του γενετικού κώδικα) που αποτελούσαν το βακτηριακό DNA, εντόπισαν μόλις 35 διαφορές μεταξύ της πρώτης και της τελευταίας απομόνωσης.

Στη συνέχεια αλληλούχισαν μερικώς τα μικρόβια των ενδιάμεσων απομονώσεων για να εντοπίσουν τη σειρά με την οποία είχαν γίνει οι αλλαγές. Δοκιμάζοντας in vitro την ανθεκτικότητα των διαφόρων επιμέρους απομονώσεων στη βανκομυνίκη, είχαν τη δυνατότητα να συσχετίζουν συγκεκριμένες γενετικές αλλαγές με επιδράσεις στην ανάπτυξη του βακτηρίου και στις αποκρίσεις του στο φάρμακο. Για παράδειγμα, η σύγκριση των δύο γονιδίων του πρώτο και του δεύτερου δείγματος διαδοχικής απομόνωσης, αποκάλυψε διαφορές σε έξι νουκλεοτιδικές αντικαταστάσεις (αλλαγές στα «γράμματα»). Οι έξι μεταλλάξεις προσέφεραν ξεκάθαρο πλεονέκτημα: αύξαναν την αντοχή των βακτηρίων στη βανκομυκίνη κατά τέσσερις φορές. Έτσι, τα βακτήρια που είχαν αυτές τις μεταλλάξεις μπορούσαν να επιβιώνουν και να αναπαράγονται καλύτερα, με αποτέλεσμα να αυξάνεται ο πληθυσμός τους στο σώμα του ασθενούς. Είκοσι έξι συνακόλουθες μεταλλάξεις κατά τη διάρκεια της θεραπείας των επόμενων εβδομάδων διπλασίαζαν την αντοχή, με αποτέλεσμα να παράγονται αποικίες του S.aureus με υψηλή ανθεκτικότητα στη βανκομυκίνη (Mwangi et al., 2007).

Εν συντομία, η διερεύνηση της μοριακής βάσης της προσαρμοστική εξέλιξης σε άγριους πληθυσμούς δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση. Μεταξύ των προκλήσεων είναι ο καθορισμός της πίεσης επιλογής, η ταυτοποίηση των αλληλουχιών DNA που σχετίζονται με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, η μέτρηση της ατομικής προσαρμοστικότητας και η εύρεση μίας μηχανιστικής εξήγησης σχετικά με το πώς οι αλλαγές στην αλληλουχία επηρεάζουν τα προσαρμοστικά χαρακτηριστικά. Παρ’ όλα αυτά, με τη χρήση μοντέλων οργανισμών και τις πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις, αυτές οι διερευνήσεις είναι περισσότερο εφικτές σήμερα. Με άμεσο αποτέλεσμα να κατανοούμε καλύτερα πώς συγκεκριμένες αλλαγές σε γενετικό επίπεδο επιτρέπουν στους οργανισμούς να προσαρμόζονται στο περιβάλλον που διαβιούν.

Acknowledgements

The author is grateful to David Hughes, Mehmet Somel and Ania Lorenc for helpful comments on the article.