Główny kompleks zgodności tkankowej i dobór płciowy
Główny kompleks zgodności tkankowej w doborze płciowym dotyczy tego, w jaki sposób cząsteczki głównego kompleksu zgodności tkankowej (MHC) umożliwiają nadzór układu odpornościowego nad populacją cząsteczek białka w komórkach gospodarza. W 1976 Yamazaki i in. zademonstrowali wybór płciowy samców myszy na samice o innym MHC [ wyjaśnij ] .
Główne geny kompleksu zgodności tkankowej , które kontrolują odpowiedź immunologiczną i skuteczną odporność na patogeny, były w stanie utrzymać niezwykle wysoki poziom różnorodności alleli w czasie iw różnych populacjach. Badania sugerują, że MHC bierze udział w wyborze partnera dla wielu kręgowców poprzez wskazówki węchowe. Istnieje kilka proponowanych hipotez, które dotyczą tego, w jaki sposób preferencje kojarzenia związane z MHC mogą być adaptacyjne i jak niezwykle duża różnorodność alleli została zachowana w MHC.
Ogromne źródło zmienności genetycznej wpływającej na sprawność organizmu wynika z koewolucyjnego wyścigu zbrojeń między żywicielami a pasożytami. Aby to wyjaśnić, istnieją dwie wzajemnie wykluczające się hipotezy. Jednym z nich jest selekcja mająca na celu utrzymanie wysoce zróżnicowanego zestawu genów MHC, jeśli heterozygoty MHC są bardziej odporne na pasożyty niż homozygoty — nazywa się to przewagą heterozygot . Po drugie, istnieje selekcja, która podlega cyklowi zależnemu od częstotliwości — i nazywa się to hipotezą Czerwonej Królowej .
hipotezy
W pierwszej hipotezie, jeśli osobniki heterozygotyczne pod względem MHC są bardziej odporne na pasożyty niż osobniki homozygotyczne , wówczas korzystne jest, aby samice wybierały partnerów z genami MHC innymi niż ich własne, co skutkowałoby heterozygotycznym potomstwem MHC — to jest znane jako kojarzenie dysasortacyjne . Hipoteza głosi, że osoby z heterozygotycznym MHC byłyby zdolne do rozpoznawania szerszego zakresu patogenów , a tym samym do wywoływania swoistej odpowiedzi immunologicznej przeciwko większej liczbie patogenów – w ten sposób posiadając odporność korzyść. Niestety, hipoteza przewagi MHC-heterozygoty nie została odpowiednio przetestowana. Geny odporności inne niż MHC u różnych gatunków wykazują wadę heterozygoty lub brak przewagi. U myszy zwiększona heterozygotyczność MHC zmniejsza sprawność, podważając tę hipotezę. Samice heterozygotyczne MHC miały znacznie zmniejszoną sprawność w porównaniu z homozygotami. To odkrycie zostało powtórzone w innym badaniu na myszach i ponownie na rybach. W niektórych przypadkach nadmierna heterozygotyczność może prowadzić do zmniejszenia sprawności.
Hipoteza optymalności stwierdza, że zbyt duża zmienność w MHC może spowodować niepowodzenie komórek T w odróżnianiu się od siebie, a tym samym zwiększać ryzyko chorób autoimmunologicznych. Dałoby to większą sprawność osobom bez dużego stopnia różnorodności MHC. Choroby autoimmunologiczne są związane z loci MHC. U ludzi osoby z większą różnorodnością MHC są bardziej narażone na choroby autoimmunologiczne. Różnorodność MHC może być niska, „ponieważ obce peptydy muszą wyróżniać się na tle własnym”. Na poziomie indywidualnym różnorodność MHC jest zwykle niska. U wielu gatunków występuje pośrednia heterozygotyczność w MHC. Ogólne dowody potwierdzają, że najlepsza jest pośrednia heterozygotyczność MHC.
Hipoteza Czerwonej Królowej głosi, że różnorodność MHC jest utrzymywana przez pasożyty. Jeśli allele MHC poszczególnych osobników dają różną odporność na konkretnego pasożyta, wówczas allel o najwyższej odporności jest faworyzowany, wybierany iw konsekwencji rozprzestrzeniany w całej populacji. Rekombinacja i mutacja powodują generowanie nowych wariantów wśród potomstwa, co może ułatwić szybką reakcję na szybko ewoluujące pasożyty lub patogeny o znacznie krótszym czasie generacji. Jeśli jednak ten konkretny allel stanie się powszechny, wzrasta presja selekcyjna na pasożyty, aby uniknąć rozpoznania przez ten wspólny allel. Korzystna cecha, która pozwala pasożytowi uniknąć rozpoznania, rozprzestrzenia się i powoduje selekcję przeciwko temu, co wcześniej było odpornym allelem. Umożliwia to pasożytowi ucieczkę z tego cyklu selekcji zależnej od częstotliwości, a taki cykl ostatecznie prowadzi do współewolucyjnego wyścigu zbrojeń, który może wspierać utrzymanie różnorodności MHC. Ta hipoteza ma wsparcie empiryczne.
Hipoteza unikania chowu wsobnego ma mniej wspólnego z relacjami żywiciel-pasożyt niż hipoteza przewagi heterozygoty lub hipoteza Czerwonej Królowej. Ekstremalna różnorodność w MHC spowodowałaby, że osoby o wspólnych allelach MHC byłyby bardziej prawdopodobne, że będą spokrewnione. W rezultacie jedną z funkcji krycia z dysasortacją MHC byłoby uniknięcie kojarzenia się z członkami rodziny i wszelkimi szkodliwymi konsekwencjami genetycznymi, które mogłyby wystąpić w wyniku. Hipoteza głosi, że chów wsobny zwiększa stopień ogólnej homozygotyczności - nie tylko lokalnie w MHC, więc wzrostowi homozygotyczności genetycznej może towarzyszyć nie tylko ekspresja chorób recesywnych i mutacji, ale także utrata potencjalnej przewagi heterozygoty . Zwierzęta rzadko unikają chowu wsobnego. Hipoteza unikania chowu wsobnego została „wykluczona jako wyjaśnienie obserwowanego wzorca preferencji partnera zależnego od MHC”, ponieważ pokrewieństwo nie jest związane z wyborem partnera.
W trakcie poszukiwania potencjalnych partnerów przydałaby się kobietom umiejętność rozróżniania „złych” genów w celu zwiększenia zdrowia i żywotności ich potomstwa. Jeśli wybór partnera płci żeńskiej ma miejsce w przypadku „dobrych” genów, sugeruje się, że wśród samców istnieje zmienność genetyczna. Co więcej, można by przypuszczać, że wspomniana różnica w genach spowodowałaby również różnicę w sprawności, która mogłaby potencjalnie zostać wybrana lub wybrana.
Ogólnie rzecz biorąc, ekstremalny polimorfizm genów MHC jest wybierany przez wyścigi zbrojeń żywiciel-pasożyt ( hipoteza Czerwonej Królowej ); jednak dysasortacyjny wybór partnera może utrzymać różnorodność genetyczną u niektórych gatunków. W zależności od tego, jak pasożyty zmieniają selekcję na allele MHC, wybór partnera zależny od MHC może zwiększyć sprawność potomstwa poprzez zwiększenie jego odporności, jak wspomniano wcześniej. Jeśli tak jest, albo poprzez hipotezę przewagi heterozygoty, albo hipotezę Czerwonej Królowej, wówczas selekcja faworyzuje również praktyki kojarzenia, które są zależne od MHC.
Dlatego wybór partnera - w odniesieniu do MHC - prawdopodobnie ewoluował tak, że samice wybierają samców albo na podstawie różnych genów (przewaga heterozygot i hipotezy unikania chowu wsobnego), albo „dobrych” genów. Fakt, że kobiety wybierają, jest wybierany naturalnie, ponieważ korzystna cecha dla kobiet byłaby w stanie wybrać mężczyznę, który zapewnił pośrednią lub bezpośrednią korzyść. W wyniku wyboru kobiet na mężczyzn narzucana jest selekcja płciowa. Dowodem na to jest genetyczna „reklama” - przykładem tego może być istnienie przesadnych cech, takich jak wyszukane pióra ogona samców pawi. Jednak u ludzi obie płcie dokonują wyboru partnera.
Związek między węchem a MHC
Wiadomo, że selekcja płciowa oparta na MHC obejmuje mechanizmy węchowe u takich taksonów kręgowców, jak ryby, myszy, ludzie, naczelne, ptaki i gady. Na najprostszym poziomie ludzie od dawna są zaznajomieni ze zmysłem węchu w celu jego wykorzystania do określania przyjemności lub nieprzyjemności swoich zasobów, pożywienia itp. Na głębszym poziomie przewidywano, że węch służy do osobistej identyfikacji jednostek na podstawie na genach MHC.
Chemosensyfikacja, która jest jednym z najbardziej prymitywnych zmysłów, przekształciła się w wyspecjalizowany system czuciowy. Ludzie mogą nie tylko wykrywać, ale także oceniać i reagować na środowiskowe (chemiczne) bodźce węchowe — zwłaszcza te używane do wywoływania reakcji behawioralnych i seksualnych u innych osób, znanych również jako feromony . Feromony służą do komunikowania gatunku, płci i, co najważniejsze, tożsamości genetycznej. Geny MHC stanowią podstawę, z której rozwija się zestaw unikalnych kodów węchowych.
Chociaż nie wiadomo dokładnie, w jaki sposób rozpoznawane są zapachy specyficzne dla MHC, obecnie uważa się, że białka związane z rowkiem wiążącym peptyd w MHC mogą wytwarzać środek zapachowy. Każde białko MHC wiąże się ze specyficzną sekwencją peptydową, dając zestaw unikalnie związanych kompleksów peptyd-MHC dla każdego osobnika. Podczas obrotu komórkowego kompleks MHC-peptyd jest usuwany z powierzchni komórki, a jego fragmenty są uwalniane do płynów ustrojowych, takich jak surowica krwi, ślina i mocz. Naukowcy są przekonani, że mikroflora komensalna, mikroorganizmy wyściełające powierzchnie nabłonka otwarte na środowisko zewnętrzne, takie jak przewód pokarmowy i pochwa, dalej degradują te fragmenty, które stają się lotne w wyniku tego procesu. Ostatnio wykazano, że receptory w narząd lemieszowo-nosowy myszy są aktywowane przez peptydy o podobnych właściwościach do białek MHC; miejmy nadzieję, że dalsze badania wkrótce wyjaśnią dokładną transformację między genotypem MHC a mechanizmem węchowym.
Dowody empiryczne
W ludziach
Podobieństwo MHC u ludzi badano na trzy szerokie sposoby: zapach, atrakcyjność twarzy i rzeczywisty wybór partnera. Badania zapachu wskazują preferencje dotyczące odmienności MHC, ale różnią się szczegółami, podczas gdy atrakcyjność twarzy sprzyja podobieństwu do MHC, a rzeczywiste badania krycia są zróżnicowane.
Konkretne badania
Kilka badań sugeruje, że preferencje zapachowe i wybór partnera związane z MHC są wykazywane przez ludzi. Jednak rola MHC w wyborze partnera przez człowieka była stosunkowo kontrowersyjna. Jedno badanie przeprowadzone przez Obera i in. zbadali typy HLA od 400 par w hutteryckiej i znaleźli znacznie mniej dopasowań HLA między mężami i żonami, niż oczekiwano, biorąc pod uwagę strukturę społeczną ich społeczności. Z drugiej strony w tym samym badaniu 200 par z plemion indiańskich nie było dowodów na wybór partnera na podstawie MHC.
Inne badania dotyczyły wyboru partnera w oparciu o preferencje zapachowe. W jednym badaniu przeprowadzonym przez Wedekinda i wsp. Kobiety zostały poproszone o wąchanie męskich zapachów pachowych zebranych na koszulkach noszonych przez różnych mężczyzn. Kobiety, które miały owulację, oceniły zapachy mężczyzn różniących się MHC jako przyjemniejsze niż zapachy mężczyzn podobnych do MHC. Co więcej, zapachy mężczyzn różniących się MHC często przypominały kobietom obecnych lub byłych partnerów, co sugeruje, że zapach – szczególnie zapach odmienności MHC – odgrywa rolę w wyborze partnera.
W innym badaniu przeprowadzonym przez Wedekinda i wsp. poproszono 121 kobiet i mężczyzn o ocenę przyjemności zapachu przepoconych T-shirtów. Po wąchaniu koszul okazało się, że mężczyźni i kobiety, którym przypominano własnego partnera lub byłego partnera, mieli znacznie mniej wspólnych alleli MHC z osobą noszącą, niż można by się spodziewać przypadkowo. Jeśli wybór koszulek nie był przypadkowy i faktycznie wybrany pod kątem alleli odmiennych od MHC, sugeruje to, że skład genetyczny MHC wpływa na wybór partnera. Co więcej, gdy statystycznie uwzględniono stopień podobieństwa między użytkownikiem a osobą wąchającą, nie było już znaczącego wpływu MHC na preferencje zapachowe. Wyniki pokazują, że podobieństwo lub odmienność MHC z pewnością odgrywa rolę w wyborze partnera. W szczególności wybiera się wybór partnera z dysasortacją MHC i mniej podobne kombinacje MHC. Jednym z interesujących aspektów eksperymentu Wedekinda było to, że w przeciwieństwie do normalnie jeżdżących na rowerze kobiet, kobiety przyjmujące doustne środki antykoncepcyjne preferowały zapachy mężczyzn podobnych do MHC. Sugerowałoby to, że pigułka może zakłócać adaptacyjną preferencję odmienności.
U naczelnych
Istnieją dowody na wybór partnera związany z MHC u innych naczelnych. U lemura szarej myszy Microcebus murinus pokopulacyjny wybór partnera jest związany z konstytucją genetyczną. Ojcowie bardziej różnią się MHC od matki niż losowo badani mężczyźni. Ojcowie mają więcej różnic w różnorodności aminokwasów i mikrosatelitów niż losowo badani mężczyźni. Przypuszcza się, że jest to spowodowane tajemniczym wyborem kobiet.
U innych zwierząt
U myszy zarówno samce, jak i samice wybierają partnerów odmiennych od MHC. Myszy rozwijają zdolność identyfikowania członków rodziny podczas wczesnego wzrostu i wiadomo, że unikają chowu wsobnego z krewnymi, co potwierdzałoby hipotezę wyboru partnera za pośrednictwem MHC w celu uniknięcia chowu wsobnego.
Ryby to kolejna grupa kręgowców wykazująca wybór partnera związany z MHC. Naukowcy przetestowali łososia atlantyckiego Salmo salar , obserwując wpływ MHC na łososia żyjącego w rzece podczas naturalnego tarła w porównaniu ze sztucznymi krzyżówkami przeprowadzanymi w wylęgarniach. Logicznie rzecz biorąc, sztuczne krzyże byłyby pozbawione korzyści płynących z wyboru partnera, które byłyby naturalnie dostępne. Wyniki pokazały, że potomstwo sztucznie wyhodowanego łososia było bardziej zarażone pasożytami: prawie cztery razy bardziej niż potomstwo pochodzące z naturalnego tarła. Ponadto dzikie potomstwo było bardziej heterozygotyczne pod względem MHC niż potomstwo sztucznie hodowane. Wyniki te potwierdzają hipotezę heterozygotycznej przewagi doboru płciowego dla wyboru odmiennego partnera MHC. U innej ryby, ciernika trójkolcowego, wykazano, że samice pragną różnorodności MHC u swojego potomstwa, co wpływa na wybór partnera.
Samice wróbli Savannah , Passerculus sandwichensis , wybrały do kopulacji samce odmienne od MHC. Kobiety są bardziej skłonne do angażowania się w związki pozaparowe, jeśli są sparowane z partnerami podobnymi do MHC i dostępnych jest więcej odmiennych partnerów. Podobnie różnorodność MHC u wróbli domowych, Passer domesticus , sugeruje, że występuje wybór partnera z dysasortacją MHC.
Wykazano, że wybór partnera za pośrednictwem MHC istnieje u szwedzkiej jaszczurki zwinki Lacerta agilis . Samice wolały kojarzyć się z próbkami zapachu uzyskanymi od samców bardziej spokrewnionych w loci MHC I.
Chociaż wiele gatunków jest społecznie monogamicznych, samice mogą akceptować lub aktywnie szukać krycia poza związkiem; ojcostwo poza parą to wzorzec kojarzenia, o którym wiadomo, że jest powiązany z wyborem partnera związanym z MHC. Ptaki są jedną z częściej badanych grup zwierząt wykazujących takie zachowania seksualne. W szkarłatnej różyczce Carpocus erythrinus samice znacznie rzadziej angażowały się w ojcostwo poza parami, gdy ich partnerzy byli heterozygotami MHC. Na Seszelach gajówka Acrocephalus sechellensis , nie było dowodów na zmienność MHC między partnerami społecznymi. Jednakże, gdy partnerzy społeczni kobiet byli podobni do MHC, były bardziej skłonne do udziału w ojcostwie poza parą; w większości przypadków samiec spoza pary był znacznie bardziej odmienny pod względem MHC niż partner społeczny.
Wybór partnera za pośrednictwem MHC może nastąpić po kopulacji, na poziomie gamet, poprzez rywalizację plemników lub tajemniczy wybór samicy. Łosoś atlantycki , Salmo salar , jest gatunkiem, u którego konkurencja plemników jest uzależniona od zmienności głównego kompleksu zgodności tkankowej, w szczególności alleli klasy I. Samce łososia atlantyckiego mają wyższy wskaźnik pomyślnego zapłodnienia, gdy konkurują o jaja od samic podobnych genetycznie w genach klasy I MHC.
Innym gatunkiem, który wykazuje tajemniczy wybór związany z MHC, jest golec arktyczny Salvelinus alpinus . W tym przypadku wydaje się jednak, że selekcja plemników jest bardziej zależna od komórki jajowej. Stwierdzono, że samce heterozygotyczne MHC mają znacznie większy sukces zapłodnienia niż samce homozygotyczne MHC; nie wykazano, aby liczba plemników, ruchliwość i prędkość pływania istotnie współzmieniały się z podobieństwem lub odmiennością w MHC. Sugeruje się, że istnieje system chemo-atrakcji odpowiedzialny za zdolność samego jaja do rozróżniania i selektywnego wybierania między samcami heterozygotycznymi MHC i homozygotycznymi MHC.
W przeciwieństwie do łososia atlantyckiego i golca polarnego, samce czerwonego ptactwa dżunglowego Gallus gallus zamiast samic wykazują tajemnicze preferencje. Samiec ptactwa dżungli nie wykazywał preferencji, gdy był prezentowany jednocześnie z samicą niepodobną do MHC i podobną do MHC. Jednak wykazali tajemniczą preferencję, przydzielając więcej plemników bardziej odmiennemu MHC z tych dwóch.
Samce jaszczurek zwinkowych Lacerta agilis zachowują się podobnie do samców ptactwa dżungli. Wykazano, że początkowa kopulacja między samcem a samicą bez rywali przedłużała się, gdy samiec wyczuwał wyższą płodność samicy. Jednak drugie samce dostosowały czas trwania kopulacji w zależności od pokrewieństwa między samicą a pierwszym samcem, co, jak się uważa, jest określane przez zapach MHC czopu kopulacyjnego. Bliższe pokrewieństwo genetyczne między samcem i samicą jaszczurki zwinki zwiększyło szanse na pomyślne zapłodnienie i współczynnik ojcostwa drugiego samca.
Selekcja aborcyjna może być formą tajemniczego wyboru kobiet. Wiele badań na ludziach i gryzoniach wykazało, że samice mogą spontanicznie przerywać ciąże, w których potomstwo jest zbyt podobne do MHC. [ potrzebne źródło ] Ponadto zapłodnienia in vitro są bardziej narażone na niepowodzenie, gdy pary mają podobne geny MHC. [ potrzebne źródło ]
MHC i konflikt seksualny
Jeśli samce próbują udaremnić wybór samicy poprzez kojarzenie się z samicą wbrew jej woli, konflikt seksualny może zakłócać wybór zgodności w genach MHC.
U łososia Chinook Oncorhyncus tshawytscha samice zachowują się bardziej agresywnie w stosunku do samców podobnych do MHC niż samców niepodobnych do MHC, co sugeruje obecność samicy z wyboru. Ponadto samce kierowały agresję na samice podobne do MHC. Towarzyszyło temu nękanie przez mężczyzn niewrażliwych kobiet; jednakże istniała dodatnia korelacja między agresją samców a sukcesem reprodukcyjnym. Zdolność samców do obezwładnienia pierwotnego wyboru partnera przez samice spowodowała, że potomstwo celów męskiej agresji miało niską różnorodność genetyczną. Wydawało się, że potomstwo o dużej różnorodności genetycznej pojawia się tylko wtedy, gdy operacyjny stosunek płci był ukierunkowany na samice, kiedy samice były bardziej skłonne do wyboru partnera, a samce rzadziej nękały samice. Wyniki te sugerują, że konflikt seksualny może kolidować z wyborem partnera przez samicę w przypadku „dobrych” genów MHC.