Gruppselektion fungerar, men är det viktigt?

Det här kommer bara vara roligt för dem som redan bryr sig om gruppselektion, men de är förvånansvärt många. Av någon anledning är gruppselektion väldigt provocerande. Ordet ”selektion” är en omskrivning för naturligt urval. Naturligt urval händer när vissa individer i en population har egenskaper som gör dem bättre på att överleva och fortplanta sig än andra. Om egenskaperna ifråga är ärftliga gör det att populationens egenskaper ändras över generationerna. Detta är evolution genom naturligt urval. De genetiska varianter som får individer att klara sig bättre ökar i frekvens. Men tänk om populationen består av grupper av individer som lever särskilt nära varandra. Kan det finnas egenskaper hos en grupp som gör den framgångsrik och som inte kan förklaras av selektion på individer? Ja, det fullt möjligt. Frågan är hur viktigt det är i naturen.

Organismer gör vanligtvis inte saker för populationens, artens eller gruppens skull. De gör saker för sig själva och sin avkomma. Men det finns många situationer där det är lönsamt, alltså förknippat med större reproduktiv framgång, att samarbeta, hjälpa andra och bete sig altruistiskt. Det är ganska tydligt varför det kan vara fördelaktigt för en individ att hjälpa sina ungar. De bär ju på hälften av ens genetiska material! Vi tänker oss en art där ungarna behöver omvårdnad medan de är små. Där kan en genetisk variant som ökar föräldrabeteendet sprida sig, eftersom den ger bäraren fler överlevande ungar, där i medeltal hälften i av dem kommer bära på samma variant. Samma resonemang fungerar för mer avlägsna släktingar, bara i mindre grad, eftersom sannolikheten att vi delar genetiska varianter blir mindre ju längre från varandra i släktträdet vi befinner oss. Detta kallas släktskapsselektion (engelska: kin selection), att förbättra sin reproduktiva förmåga indirekt genom släktingar. Tyvärr är det ett ganska uselt namn, eftersom det är ett namn på en typ av strategier, inte en egen form av selektion. Ett annat namn för samma sak är inclusive fitness, men det är typ omöjligt att översätta till något vettigt.

Det finns en lång lista med möjliga sätt som altruism kan löna sig i längden (se t.ex. West, Griffin & Gardner 2006). Det kan handla om att hjälpa sina släktingar, som ovan, eller att byta tjänster och gentjänster, eller min favorit: grönt skägg-altruism. Det är en situation där vi tänker oss en genetisk variant som har två olika effekter. Å ena sidan får den individen att bete sig altruistiskt mot individer som har ett visst kännetecken, hypotesens ”gröna skägg”. Dessutom får den individen själv att odla ett grönt skägg, alltså uttrycka samma signal. På så sätt kan den sprida sig genom att bärarna känner igen och hjälper varandra.

Så sociala interaktioner och altruism är inga stora mysterier som helt saknar förklaringar. Men att det inte verkar finnas ett skriande teoretiskt behov av gruppselektion betyder inte att effekter på gruppnivå inte finns. Låt oss därför ta ett exempel där selektion på gruppnivå utan tvivel fungerar och påverkar egenskaper. Naturligtvis kommer exemplet från artificiell selektion, inte naturligt urval, och det handlar om höns. En första version av experimentet ifråga beskrivs av William Muir (1996). Höns är inte riktigt anpassade för ett liv i industriell uppfödning. Ett vanligt problematiskt beteende är att hönsen hackar varandra, i värsta fall till döds. Det här experimentet gick ut på att försöka avla dem för att klara sig bättre i gruppburar med flera höns — utan att klippa i deras näbbar, vilket knappast löser problemet för hönsen men hindrar symptomen … Näbbtrimning är förbjudet bland annat i Sverige. Muir avlade höns på överlevnad i gruppburar, där invånarna i en bur valdes eller valdes bort tillsammans som en grupp. I generation 2 var dödligheten 70%. Jag upprepar: på ett år dog 70% av hönsen. I generation 6 var dödligheten 9% procent, vilket är samma dödlighet som kontrolldjur som hölls ensamma.

En stor del av dödligheten förklaras av hur mycket individen blir hackad. Det kan såklart finnas genetiska varianter som skyddar offer mot fjäderhackning, men det viktigaste för individens överlevnad är inte hur mycket den själv hackar utan hur mycket de andra hackar. Det här fenomenet, när en individs egenskaper påverkas av vilka genetiska varianter som finns hos dem hen interagerar med, kan beskrivas med indirekta genetiska effekter. Indirekta genetiska effekter är en mekanism för hur gruppselektion kan fungera. Okej, men vad hade hänt med vanlig avel på individuell nivå? I ett liknande experiment, med höns i gruppburar, tittade författarna (Bijma & co 2007) på direkta och indirekta genetiska effekter på överlevnad. Jag har skrivit om heritabilitet förut, ett mått på hur stor del av variationen i en egenskap som beror på genetisk variation. Den kan skattas med en statistisk modell (se t.ex. Kruuk 2004) där en lägger samman mätningar och släktträd från ett antal individer och uppskattar hur stor del av egenskapen som går i släkten. Bijma & co använde en utökad version av samma modell som också tar hänsyn till effekten av andra gruppmedlemmar och deras släktträd. Det ger dels en vanlig direkt genetisk varianskomponent, den som används till heritabilitet, och en total varians som räknar med påverkan från de andra gruppmedlemmarna. I det här fallet var den totala genetiska variansen för överlevnad ungefär tre gånger så stor som den direkta genetiska variansen. Det intressanta med genetisk varians i avelssammanhang är att den visar hur snabbt en population kommer påverkas av selektion. I den här populationen bör alltså gruppselektion vara betydligt effektivare än individuell selektion i att minska dödligheten. I princip är det möjligt att ha en direkt och indirekt genetisk effekt i motsatt riktning, där selektion på individ och grupp skulle ge motsatta resultat.

Så långt hönshuset. Kan något liknande hända i naturen? Nyligen kom det en artikel (Pruitt & Goodnight 2014) som hävdar att de sett lokal anpassning på gruppnivå hos spindlar av arten Anelosimus studiosus. Spindlarna lever i kolonier där individerna kan klassificeras i två olika beteendetyper: lugna och aggressiva spindlar. Beroende på hur mycket resurser det finns i omgivningarna har naturliga kolonier olika sammansättning. Så författarna samlade in spindlar från olika ställen, födde upp dem i laboratoriet, testade deras beteende och satte ut dem igen i konstruerade kolonier med olika gruppsammansättning. Sedan kom de tillbaka med jämna mellanrum för att se hur bra experimentkolonierna klarade sig. Kort och gott löpte kolonierna större risk att dö ut om deras sammansättning inte matchade sammansättningen hos naturliga kolonier på den platsen. Det verkar som att på vissa platser är det bra att ha många aggressiva spindlar i en koloni, på andra färre, och om en koloni har för många eller för få kommer den klara sig sämre. I rika omgivningar med mycket att äta verkar det fungera bättre att ha många aggressiva individer. I fattigare omgivningar är det bättre med många lugna.

joe_lapp_astud

(A. studiosus av Joe Lapp, på Flickr. cc:by 2.0)

Beteendetyperna, ”lugn” och ”aggressiv” verkar i det här fallet vara till största del bestämda av genetiska varianter. Så frågan är: Vilka interaktioner mellan individer inom kolonin är det som gör att en koloni får en viss sammansättning? Någonting verkar det vara i alla fall, för författarna prövade också att flytta kolonier mellan rik och fattig miljö. Och det ser ut som att kolonier behåller sin karaktäristiska sammansättning över generationerna. Spindlar som kommer från en fattig miljö fortsätter hålla en låg andel aggressiva individer i sina kolonier, även om det vore bättre för dem att ha fler. De verkar vara lokalt anpassade till en resursfattig miljö, där en låg andel aggressiva spindlar hade fungerat bättre.

Oftast det såklart så att de en lever närmast ofta också är de en är närmast släkt med. Så om släktskapsselektion och gruppselektion händer samtidigt kommer det vara svårt eller omöjligt att skilja dem åt. Att jag har svårt att komma på hur en alternativ förklaring med släktsskapsselektion skulle se ut i fallet spindlarna kan bara vara min bristande fantasi. Det är populärt att påstå något i stil med ”gruppselektion och släktskapsselektion är samma sak” av matematiska skäl. Men bevisen för att de bara är beskrivningar av samma process verkar inte vara entydiga. van Veelen m.fl. (2012) ger ett motexempel på en modell där de inte ger samma resultat. Jag kan inte påstå att jag förstår den teoretiska litteraturen på det här området, men att modeller av gruppselektion och av släktskapsselektion är bevisat matematiskt ekvivalenta verkar vara för mycket sagt.

Litteratur

West, S. A., Griffin, A. S., & Gardner, A. (2007). Social semantics: altruism, cooperation, mutualism, strong reciprocity and group selection. Journal of evolutionary biology, 20(2), 415-432.
Bijma, P., Muir, W. M., Ellen, E. D., Wolf, J. B., Van Arendonk, J. A. (2007). Multilevel selection 2: estimating the genetic parameters determining inheritance and response to selection. Genetics, 175(1), 289-299.
Kruuk, L. E. (2004). Estimating genetic parameters in natural populations using the ‘animal model’. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 359(1446), 873-890.
Nature.
Annonser

Interaktioner mellan gener förklarar antagligen inte den saknade ärftligheten

Har fått flera tips om den här artikeln:

Asko Mäki-Tanila & William Hill (2014)  Influence of Gene Interaction on Complex Trait Variation with Multilocus Models. Genetics.

Den har en hyfsat torr titel och rätt många ekvationer och handlar om något av det intressantaste nämligen kvantitativa egenskaper och gen–gen-interaktioner. Saknad heritabilitet är ett känt genetiskt problem. Det finns flera förslag på lösningar och det är bara att välja sin favorit. Författarnas beräkningar tyder på att den antagligen inte förklaras av interaktioner mellan gener. (Varning: ganska lång och nördig bloggpost. Som vanligt.)

Vad är heritabilitet? Vi tänker oss en egenskap som varierar i en population. Om egenskapen är ärftlig kommer en del av variationen att gå i familjen. Och om vi mäter den och har ett släktträd över individerna kan vi uppskatta hur stor del av variationen som förklaras av släktskap. Detta uttrycks som varianser och kvoten mellan additiv genetisk varians och den totala variansen kallas heritabilitet. (Vadå ”additiv”? Vi kommer tillbaka till det.) Heritabiliteten är ett bråktal mellan noll och ett där ett större värde är en större ärftlig komponent.

Vad är det som saknas? Vi ska inte göra någon katalog, men det finns otaliga olika egenskaper hos växter och djur som är delvis ärftliga. Många har också gjort genetisk kartläggning (en samling tekniker som jag ofta tjatar om, bara delvis för att jag jobbar med dem) för att hitta de gener som förklarar ärftligheten och kunna undersöka hur de fungerar. Problemet är att de gener som går att hitta nästan alltid bara förklarar en liten andel av den ärftliga variationen. För nästan alla egenskaper finns det en avsevärd ”saknad heritabilitet” som måste bero på okända genetiska varianter. Den saknade delen är nästan alltid mycket större än den som förklaras av kända varianter. Exempel: Nyligen publicerades en analys av mänsklig längd baserad på 250 000 individer (Wood & al 2014). Den hittar cirka 700 genetiska varianter som tillsammans förklarar ungefär en femtedel av heritabiliteten.

Okej, så var gömmer den sig? Förmodligen är det är många varianter som bidrar med mycket små enskilda effekter. Då skulle det behövas ännu större studier för att hitta dem. I vissa egenskaper kanske det också är frågan om ovanliga varianter som bara finns i vissa familjer. I så fall skulle de inte hittas i stora populationsstudier utan drunkna i bruset. Men det finns också mer exotiska hypoteser om den saknade heritabiliteten. En är att det skulle vara epigenetisk variation snarare än genetisk (varför jag inte tror det är förklaringen borde jag skriva mer om någon annan gång). En annan är gen–gen-interaktioner, eller på genetiskt fikonspråk epistasi.

Dags att återvända till den additiva genetiska variansen. Det kan nämligen finnas en genetisk komponent som inte direkt går i arv från föräldrar till avkomma. Anlagen går i arv, naturligtvis, men avkommans egenskaper kan bli helt annorlunda om det finns interaktioner mellan olika genetiska varianter. Det blir tydligast med ett exempel med en egenskap som kan delas in i tydliga kategorier och som styrs av varianter på två gener. Det här är ett exempel från världens bästa organism, nämligen hönan.

Titta på bilden. Panel A: en vanlig enkel hönskam. Panel C: pärlkam som orsakas av en genreglerande variant i genen SOX5 (Wright & al 2009). Panel B: rosenkam, som orsakas av omflyttning som påverkar regleringen av genen NMR2 (Imsland & al 2012). Panel D: valnötskam, vilket är vad som händer de som bär båda mutationern. SOX5 och NMR2 är aktiva i samma cellpopulation i förstadiet till kammen under embroynalutvecklingen. Interaktionen mellan varianter som påverkar SOX5 och NMR2 beror förmodligen på att de ingår samma system som bygger upp kammen.

kammar_imsland

(Figur 1 från Imsland & co 2012. cc:by-3.0)

Nu är de flesta intressanta egenskaper inte så enkla och kategoriska som kamtyperna. Principen är ändå densamma. Effekten av en genetisk variant kan bero på vilka andra varianter individen bär på. Detta kallas epistasi.

Det Mäki-Tanilas & Hill tittat närmare på är vad som händer på populationsnivå. De utgår från en hyfsat realistisk situation, det finns ett antal genetiska varianter på olika gener, som alla påverkar samma egenskap. Om varianterna dessutom interagerar med varandra, vad händer med den genetiska variansen? Är den fortfarande huvudsakligen additiv, alltså sådan som går i arv från föräldrar till avkomma, eller blir det en stor icke-additv genetisk varianskomponent istället? På det hela taget så blir det oftast mest additiv genetisk varians, även om det finns interaktioner mellan varianterna.

Varför? Om vi tittar på undantagen: Interaktioner blir märkbara på populationsnivå när det är få varianter som påverkar en egenskap eller när varianterna är vanliga i populationen. Om det är många gener som påverkar egenskapen så späs interaktioneffekterna ut, men epistasi kan ha stor effekt på egenskaper med relativt enkel genetik och få gener. Sådana egenskaper verkar inte vara så vanliga, men de kan finnas. Om en av allelerna (de räknade bara på bara fallet med två alleler per gen) är ovanlig betyder det också att epistasi spelar mindre roll. Om de flesta indiver är genetiskt lika kommer det vara väldigt ovanligt att samma individ bär på flera av varianterna som krävs för att interaktionseffekten ska märkas.

Ta ett helt hypotetiskt exempel: Gen 1 har två varianter stora A och lilla a. Gen 2 ha två varianter stora B och lilla b. Varianten A gör dig i medeltal 1 mm längre. B gör dig också i medeltal 1 mm längre. Men om du råkar ha både A och B får du en extra skjuts på 2 mm, förutom den sammanlagda effekten. Men om populationens genpool nästan helt domineras av a på Gen 1 och b på Gen 2 så kommer individer med både A och B vara väldigt ovanliga. De har ingen större effekt på längdfördelningen i populationen, sådär i allmänhet. Men de gör att enskilda individer med ovanliga genotyper blir ovanligt långa.

Så, författarna hävdar att interaktioner antagligen inte förklarar den saknade heritabiliteten. Tidigare har Zuk m.fl (Zuk & al 2012) föreslagit att en förklaring skulle kunna vara att interaktioner mellan gener stör skattningen av heritabilitet. Mäki-Tanilas & Hills modell tyder på att egenskaper beter sig additivt i alla fall, så det är okej att ignorera interaktioner i heritabilitetsmätningar. Vem som har rätt beror på vilken modell som stämmer bäst med hur komplexa ärftliga egenskaper egentligen fungerar. Jag är böjd att tro att det är den senare modellen, men är inte helt säker.

Det finns en sorts motsättning om epistasi. Å ena sidan verkar egenskaper ha mycket additiv varians. Å andra sidan går det att hitta mängder av interaktioner på molekylär nivå. Gener borde interagera. Om Mäki-Tanila & Hill har rätt så har de förklaringen: det är mycket möjligt att det finns massor av epistasi, men under de vanliga förhållanden är den dominerande varianskomponenten ändå den additiva. Vi som gillar interaktioner kan äta kakan och ha den kvar.

Interaktioner är fortfarande intressanta. För att kunna förutsäga en individs egenskaper från dess genotyper behövs information om hur varianter interagerar med varandra. Det är möjligt att epistasi visar sig vara vanligt i komplexa egenskaper (som en del misstänker). Problemet är att det är så svårt att studera. Att söka efter interagerande par av gener är rutin i vissa typer av kartläggning (som de experimentkorsningar jag sysslar med) men svårare i helgenomsassociation. Jag tror inte det är någon som vet riktigt hur det ska gå till.

Skimmelhästar och genetiska bieffekter

En bra sak med genetik är att det är ganska komplicerat. En ännu bättre sak med genetik är att det finns ett praktiskt genetiskt fikonspråk och ett matematiskt språk för att beskriva rätt komplicerade saker. Skimmelanlaget, som får hästar att gråna med ålder är en dominant genetisk variant som identifierades 2008 (Rosengren Pihlberg m fl). Det som hänt är att 4600 baser i närheten av genen STX17, syntaxin 17 duplicerats på ett sätt som ändrar hur den uttrycks … En sekvens som flyttas om och ändrar genuttryck, låter inte det bekant? Nåväl. Där börjar i alla fall artikeln jag tänkte titta på idag: Curik m fl. Complex Inheritance of Melanoma and Pigmentation of Coat and Skin in Grey Horses.

Stutemitfohlen

(Foto: Bloodysunday via Wikimedia Commons)

Skimlar blir inte bara vita, de tenderar också att få hudfläckar utan pigmentering (vitiligo) och de drabbas oftare än andra hästar av melanom, som tur är inte lika aggressiv som mänsklig hudcancer. Men hur hänger egenskaperna ihop — orsakas de av samma gener, kanske rentav av STX17? Författarna har tittat på ungefär 1100 hästar med känt slätträd, dna-testat dem, mätt färg och tittat efter vitiligo och melanom.

Här gör det genetiska fikonspråket entré i form av begreppet heritabilitet: den andel av variationen i någon egenskap som beror på ärftlighet. Variationen ifråga är alltså variation mellan individer, så heritabiliteten gäller en population: bland de här individerna, hur stor andel av variationen kan förklaras av deras släktskap med varandra? Heritabiliteten är ett bråktal från 0 till 1: 0,8 för grå färg, 0,7 för spräcklighet, 0,6 för vitiligo (det här är mycket höga heritabiliteter), 0,4 för melanom är mer modest. (Tabell 2 för den som gillar siffror) Men hur mycket av det är STX17 och hur mycket är andra gener? Eftersom de tagit reda på vilken variant av STX17 (och en annan känd genetisk variant) hästarna har kan de se hur stor del av heritabiliteten som beror på den: mellan 0.2 och 0.5, vilket betyder att även om det klassiska skimmelanlaget är viktigt, så finns det andra varianter, antagligen flera med mycket mindre effekter. Särskilt för spräcklighet, som verkar vara lite sin egen grej.

Nästa steg är den genetiska korrelationen: hur egenskaperna samvarierar och om det faktum att de uppträder tillsammans beror på delade ärftliga anlag. Det kan visa på genetiska bieffekter (pleiotropi är den tekniska termen), när en genetisk variant gör mer än en sak. Och de genetiska korrelationerna mellan egenskaperna är höga (Tabell 3), vilket tyder på samma genetiska grund. De testade att kontrollera för de två kända varianterna och då faller de genetiska korrelationerna till nära noll. Det mesta av korrelationen förklaras alltså av de redan kända generna. Utom vitiligo, för pigmentförlusten och skimmelfärgen har fortfarande en avsevärd genetisk korrelation. Där finns det alltså en annan, delad genetisk grund som inte har med är STX17 att göra.

Det brukar vara svårt att hitta varianter för kvantitativa egenskaper för oftast verkar den genetiska grunden bestå av många varianter med små effekter. Men när det gäller just husdjur så verkar det ibland dyka upp genetiska varianter med dramatiska effekter, som STX17. Författarna nämner ett par varianter hos grisar och kor, och jag kan lägga till den variant för kamstorlek hos höns som vi försöker ringa in och som verkar ha en pleiotrop effekt på både kam och ben.

Husdjur är ju lite speciella, som inte bara är med om naturligt urval från miljön som ändrats drastiskt när de blivit tamdjur — tänk på färgvarianter som ersätter djurets vanliga kamouflage med vitt; det verkar inte så praktiskt i naturen. Förutom det, så är de med om artificiellt urval från människor, som ibland föredrar djur med speciella färger och utseenden. Skimlarnas risk för hudcancer är — som vissa hundars eller katters platta nosar — ett exempel på att det kan finnas genetiska bieffekter av sådana estetiska val, och de är inte alltid de bästa för djuren.

Litteratur

Curik I, Druml T, Seltenhammer M, Sundström E, Pielberg GR, et al. (2013) Complex Inheritance of Melanoma and Pigmentation of Coat and Skin in Grey Horses. PLOS Genetics 9 e1003248. doi:10.1371/journal.pgen.1003248

Pielberg, G. R., Golovko, A., Sundström, E., Curik, I., Lennartsson, J., Seltenhammer, M. H., et al. (2008). A cis-acting regulatory mutation causes premature hair graying and susceptibility to melanoma in the horse. Nature genetics, 40 ss. 1004-1009.