Naukowcy odkryli formę doboru naturalnego, która nie zależy od DNA.
Ewolucja i dobór naturalny zachodzą na poziomie DNA, ponieważ geny ulegają mutacji, a cechy genetyczne pozostają lub zanikają z czasem. Ale teraz naukowcy uważają, że ewolucja może odbywać się na zupełnie inną skalę – nie przenoszoną przez geny, ale przez cząsteczki przyczepione do ich powierzchni.
Te cząsteczki, 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. W wielu organizmach DNA jest usiane grupami metylowymi, ale istoty takie jak muszki owocówki i glisty utraciły potrzebne im geny.
Inny organizm, drożdże Cryptococcus neoformans, również stracił kluczowe geny do metylacji kiedyś w kredzie, około 50-150 milionów lat temu. Ale warto zauważyć, że w swojej obecnej formie grzyb nadal ma grupy metylowe w swoim genomie. Obecnie, według badań teoretycznych opublikowanych 16 stycznia w czasopiśmie Cell, naukowcy byli w stanie postawić hipotezę, że C. neoformans zdołał utrzymać zmiany epigenetyczne przez dziesiątki milionów lat dzięki nowej drodze ewolucji.
„Nie spodziewaliśmy się ujawnienia sekretu ewolucji” – mówi starszy autor dr Hiten Madhani, profesor biochemii i biofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco.
Naukowcy badają C. neoformans, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób drożdże powodują grzybicze zapalenie opon mózgowych u ludzi. Według UCSF grzyb infekuje ludzi z osłabionym układem odpornościowym i jest odpowiedzialny za około 20% wszystkich zgonów z powodu HIV / AIDS. Madhani i jego koledzy spędzają całe dnie na przekopywaniu się przez kod genetyczny C. neoformans w poszukiwaniu kluczowych genów, które pomagają drożdżom dostać się do ludzkich komórek. Ale zespół był zaskoczony, gdy pojawiły się raporty, że materiał genetyczny był ozdobiony grupami metylowymi.
„Kiedy dowiedzieliśmy się, że [C. neoformans] metylacja DNA… Pomyślałem, że powinniśmy się temu przyjrzeć, nawet nie wiedząc, co znajdziemy ”- powiedziała Madhani.
U kręgowców i roślin komórki dodają grupy metylowe do DNA za pomocą dwóch enzymów. Pierwsza, zwana metylotransferazą de novo, przyłącza grupy metylowe do niezabarwionych genów. Enzym barwi każdą połowę spiralnej nici DNA tym samym wzorem grup metylowych, tworząc symetryczny wzór. Podczas podziału komórki podwójna helisa rozwija się i buduje dwie nowe nici DNA z odpowiednich połówek. W tym momencie enzym zwany „utrzymującą metylotransferazą” zaczyna kopiować wszystkie grupy metylowe z pierwotnego łańcucha do nowo zbudowanej połowy.
Madhani i współpracownicy zbadali istniejące drzewa ewolucyjne, aby prześledzić historię C. neoformans na przestrzeni czasu i odkryli, że przodek drożdży miał oba enzymy niezbędne do metylacji DNA w okresie kredowym. Ale gdzieś C. neoformans stracił gen potrzebny do wytworzenia metylotransferazy de novo. Bez enzymu organizm nie mógł już dodawać nowych grup metylowych do swojego DNA – mógł jedynie kopiować istniejące grupy metylowe.
Teoretycznie, nawet działając samodzielnie, enzym konserwujący mógłby na czas nieokreślony zatrzymywać DNA w grupach metylowych – gdyby za każdym razem mógł tworzyć doskonałą kopię.
Zespół odkrył, że w rzeczywistości enzym popełnia błędy i traci grupy metylowe za każdym razem, gdy komórka się dzieli. Podczas wzrostu na szalce Petriego komórki C. neoformans czasami przypadkowo otrzymują nowe grupy metylowe, podobnie jak w przypadku losowych mutacji w DNA. Jednak komórki utraciły grupy metylowe około 20 razy szybciej, niż mogłyby uzyskać nowe.
Zespół szacuje, że w ciągu około 7500 pokoleń każda ostatnia grupa metylowa zniknie, nie pozostawiając nic do skopiowania przez enzym. Biorąc pod uwagę tempo rozmnażania się C. neoformans, drożdże powinny utracić wszystkie swoje grupy metylowe w ciągu około 130 lat. Zamiast tego zachował edycje epigenetyczne przez dziesiątki milionów lat.
Wiele tajemnic wciąż wiąże się z metylacją DNA u C. neoformans. Oprócz kopiowania grup metylowych między niciami DNA, utrzymująca się metylotransferaza wydaje się być ważna, jeśli chodzi o to, jak drożdże powodują infekcje u ludzi, zgodnie z badaniem Madhani z 2008 roku. Bez całego enzymu organizm nie może tak skutecznie penetrować komórek.
„Nie mamy pojęcia, dlaczego jest to konieczne do skutecznej infekcji” – powiedział Madhani.
Enzym wymaga również dużej ilości energii chemicznej do działania i kopiuje tylko grupy metylowe do czystej połowy replikowanych nici DNA. Dla porównania, równoważny enzym w innych organizmach nie wymaga dodatkowej energii do funkcjonowania i czasami oddziałuje z nagim DNA pozbawionym jakichkolwiek grup metylowych, zgodnie z raportem opublikowanym na serwerze bioRxiv preprint.
Dalsze badania pokażą, jak działa metylacja u C. neoformans i czy ta nowa forma ewolucji pojawia się w innych organizmach.
