Ewolucja i selekcja naturalna odbywają się na poziomie DNA, ponieważ geny mutują, a cechy genetyczne albo się utrzymują, albo zanikają z czasem. Ale teraz naukowcy sądzą, że ewolucja może zachodzić na zupełnie inną skalę - przekazywana nie przez geny, ale przez cząsteczki przyczepione do ich powierzchni.
Cząsteczki te, znane jako grupy metylowe, zmieniają strukturę DNA i mogą włączać i wyłączać geny. Zmiany są znane jako „modyfikacje epigenetyczne”, co oznacza, że pojawiają się „nad” lub „nad” genomem. Wiele organizmów, w tym ludzie, ma DNA usiane grupami metylowymi, ale stworzenia takie jak muszki owocowe i glisty straciły geny wymagane do tego w czasie ewolucji.
Drugi organizm, drożdże Cryptococcus neoformansutracił także kluczowe geny metylacji w okresie kredy, około 50 do 150 milionów lat temu. Co jednak niezwykłe, w obecnej formie grzyb nadal ma grupy metylowe w swoim genomie. Teraz naukowcy teoretyzują to C. neoformans był w stanie utrzymać edycję epigenetyczną przez dziesiątki milionów lat, dzięki nowemu trybowi ewolucji, zgodnie z badaniem opublikowanym 16 stycznia w czasopiśmie Cell.
Badacze prowadzący badanie nie oczekiwali odkrycia dobrze utrzymanej tajemnicy ewolucji, starszy autor dr Hiten Madhani, profesor biochemii i biofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco i główny badacz w Chan Zuckerberg Biohub, powiedział Live Science.
Grupa zazwyczaj się uczy C. neoformans aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób drożdże powodują grzybicze zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych u ludzi. Grzyb ma tendencję do zarażania ludzi słabym układem odpornościowym i powoduje około 20% wszystkich zgonów związanych z HIV / AIDS, zgodnie z oświadczeniem UCSF. Madhani i jego koledzy spędzają dni na analizowaniu kodu genetycznego C. neoformans, szukając kluczowych genów, które pomagają drożdżom zaatakować ludzkie komórki. Zespół był jednak zaskoczony, gdy pojawiły się doniesienia sugerujące, że materiał genetyczny jest ozdobiony grupami metylowymi.
„Kiedy się nauczyliśmy miał metylację DNA… Myślałem, że musimy na to spojrzeć, nie wiedząc wcale, co byśmy znaleźli - powiedział Madhani. U kręgowców i roślin komórki dodają grupy DNA do DNA za pomocą dwóch enzymów. Pierwsza, zwana „de novo methyltransferase”, przykleja grupy metylowe do nieozdobionych genów. Enzym pieprzy każdą połowę nici DNA w kształcie helisy z tym samym wzorem grup metylowych, tworząc symetryczny projekt. Podczas podziału komórki podwójna helisa rozwija się i buduje dwie nowe nici DNA z pasujących połówek. W tym momencie enzym zwany „konserwatywną metylotransferazą” wlatuje, aby skopiować wszystkie grupy metylowe z pierwotnej nici na nowo zbudowaną połowę. Madhani i jego koledzy spojrzeli na istniejące drzewa ewolucyjne, aby prześledzić historię C. neoformans z czasem i odkrył, że w okresie kredy przodek drożdży posiadał oba enzymy wymagane do metylacji DNA. Ale gdzieś wzdłuż linii C. neoformans utracił gen potrzebny do wytworzenia metylotransferazy de novo. Bez enzymu organizm nie mógłby już dodawać nowych grup metylowych do swojego DNA - mógł jedynie kopiować istniejące grupy metylowe za pomocą swojego enzymu podtrzymującego. Teoretycznie, nawet działając sam, enzym podtrzymujący może utrzymywać DNA w grupach metylowych na czas nieokreślony - jeśli za każdym razem może wytworzyć idealną kopię. Zespół odkrył, że w rzeczywistości enzym popełnia błędy i traci kontrolę nad grupami metylowymi za każdym razem, gdy komórka się dzieli. Po wyhodowaniu na szalce Petriego C. neoformans komórki od czasu do czasu przypadkowo zdobywały nowe grupy metylowe, podobnie jak losowe mutacje w DNA. Jednak komórki straciły grupy metylowe około 20 razy szybciej niż mogły zyskać nowe. Zespół oszacował, że w ciągu około 7500 pokoleń każda ostatnia grupa metylowa zniknie, pozostawiając enzymowi utrzymującemu nic do skopiowania. Biorąc pod uwagę prędkość, z jaką C. neoformans rozmnaża się, drożdże powinny stracić wszystkie grupy metylowe w ciągu około 130 lat. Zamiast tego zachowywał epigenetyczne zmiany przez dziesiątki milionów lat. „Ponieważ wskaźnik strat jest wyższy niż współczynnik wzmocnienia, system powoli traciłby metylację w miarę upływu czasu, gdyby nie istniał mechanizm pozwalający na utrzymanie go” - powiedział Madhani. Ten mechanizm to dobór naturalny, powiedział. Innymi słowy, chociaż C. neoformans zyskiwał nowe grupy metylowe znacznie wolniej niż je tracił, metylacja dramatycznie zwiększyła „kondycję” organizmu, co oznaczało, że może on konkurować z osobnikami z mniejszą metylacją. Osobniki „sprawne” przeważały nad osobami z mniejszą liczbą grup metylowych, a zatem poziomy metylacji pozostawały wyższe przez miliony lat. Ale jaką ewolucyjną przewagę mogłyby zaoferować te grupy metylowe C. neoformans? Madhani powiedział, że mogą chronić genom drożdży przed potencjalnie śmiertelnym uszkodzeniem. Transpozony, znane również jako „skaczące geny”, skaczą wokół genomu kaprysem i często wstawiają się w bardzo niewygodne miejsca. Na przykład transpozon może wskoczyć do centrum genu wymaganego do przeżycia komórki; ta komórka może działać nieprawidłowo lub umrzeć. Na szczęście grupy metylowe mogą złapać transpozony i zablokować je na miejscu. To moze byc to C. neoformans Madhani powiedział, że utrzymuje pewien poziom metylacji DNA, aby kontrolować transpozony. „Żadne pojedyncze miejsce nie jest szczególnie ważne, ale wybrano ogólną gęstość metylacji transpozonów” w ewolucyjnych skalach czasowych, dodał. „To samo prawdopodobnie dotyczy prawdy w naszych genomach”. Wiele tajemnic wciąż otacza metylację DNA C. neoformans. Oprócz kopiowania grup metylowych między niciami DNA, utrzymywanie metylotransferazy wydaje się być ważne, jeśli chodzi o sposób, w jaki drożdże powodują infekcje u ludzi, zgodnie z badaniem Madhani z 2008 roku. Bez nienaruszonego enzymu organizm nie może włamać się do komórek tak skutecznie. „Nie mamy pojęcia, dlaczego jest to konieczne do skutecznego zakażenia” - powiedział Madhani. Enzym wymaga również dużych ilości energii chemicznej do działania i kopiuje tylko grupy metylowe na pustej połowie replikowanych nici DNA. Dla porównania, równoważny enzym w innych organizmach nie wymaga dodatkowej energii do działania, a czasami wchodzi w interakcje z nagim DNA, pozbawionym jakichkolwiek grup metylowych, zgodnie z raportem opublikowanym na serwerze preprint bioRxiv. Dalsze badania ujawnią dokładnie, jak działa metylacja C. neoformansi czy ta nowo odkryta forma ewolucji pojawia się w innych organizmach.
