Η εξέλιξη και η φυσική επιλογή πραγματοποιούνται στο επίπεδο του DNA, καθώς τα γονίδια μεταλλάσσονται και τα γενετικά γνωρίσματα είτε κολλούν ή χάνονται με την πάροδο του χρόνου. Αλλά τώρα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η εξέλιξη μπορεί να λάβει χώρα σε μια ολόκληρη κλίμακα - πέρασε όχι μέσω γονιδίων, αλλά μέσω μορίων που έχουν κολλήσει στις επιφάνειές τους.
Αυτά τα μόρια, γνωστά ως ομάδες μεθυλίου, μεταβάλλουν τη δομή του DNA και μπορούν να μετατρέψουν και να απενεργοποιήσουν τα γονίδια. Οι μεταβολές είναι γνωστές ως "επιγενετικές τροποποιήσεις", που σημαίνουν ότι εμφανίζονται "πάνω" ή "πάνω από" το γονιδίωμα. Πολλοί οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, έχουν DNA διακεκομμένους με ομάδες μεθυλίου, αλλά πλάσματα όπως μύγες φρούτων και στρογγυλά σκουλήκια έχουν χάσει τα απαιτούμενα γονίδια για να το κάνουν κατά τη διάρκεια της εξελικτικής περιόδου.
Ένας άλλος οργανισμός, η ζύμη Cryptococcus neoformans, έχασε επίσης τα βασικά γονίδια για μεθυλίωση κάποια στιγμή κατά τη διάρκεια της Κρητιδικής περιόδου, περίπου 50 με 150 εκατομμύρια χρόνια πριν. Όμως, αξιοσημείωτα, στην παρούσα μορφή του, ο μύκητας εξακολουθεί να έχει ομάδες μεθυλίου στο γονιδίωμα του. Τώρα, οι επιστήμονες θεωρούν ότι C. neoformans ήταν σε θέση να επιμείνει σε epigenetic edits για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, χάρη σε ένα νέο τρόπο εξέλιξης, σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 16 Ιανουαρίου στο περιοδικό Cell.
Οι ερευνητές πίσω από τη μελέτη δεν περίμεναν να αποκαλύψουν ένα καλά διατηρημένο μυστικό της εξέλιξης, ο κύριος συγγραφέας Dr. Hiten Madhani, καθηγητής βιοχημείας και βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο και κύριος ερευνητής στο Chan Zuckerberg Biohub, είπε στην Live Science.
Η ομάδα συνήθως μελετά C. neoformans για να καταλάβουμε καλύτερα πώς η μαγιά προκαλεί μυκητιακή μηνιγγίτιδα στους ανθρώπους. Ο μύκητας τείνει να μολύνει τα άτομα με ασθενές ανοσοποιητικό σύστημα και προκαλεί περίπου το 20% όλων των θανάτων που συνδέονται με το HIV / AIDS, σύμφωνα με δήλωση του UCSF. Ο Madhani και οι συνάδελφοί του περνούν τις ημέρες τους να σκάβουν με τον γενετικό κώδικα του C. neoformans, ψάχνοντας για κρίσιμα γονίδια που βοηθούν τη ζύμη να εισβάλλει σε ανθρώπινα κύτταρα. Όμως, η ομάδα ήταν έκπληκτος όταν αναδείχθηκαν αναφορές υποδηλώνοντας ότι το γενετικό υλικό έρχεται διακοσμημένο με ομάδες μεθυλίου.
«Όταν μάθαμε είχε μεθυλιώσεις DNA ... Νόμιζα ότι πρέπει να το δούμε, χωρίς να γνωρίζουμε καθόλου τι θα βρούσαμε ", δήλωσε ο Madhani. Στα σπονδυλωτά και στα φυτά, τα κύτταρα προσθέτουν μεθύλ ομάδες στο DNA με τη βοήθεια δύο ενζύμων. Η πρώτη, που ονομάζεται «de novo methyltransferase», κολλάει ομάδες μεθυλίου σε μη αγελάδες γονίδια. Το ένζυμο πιπεριές κάθε μισό του κλώνου ϋΝΑ σχήματος έλικας με το ίδιο μοτίβο ομάδων μεθυλίου, δημιουργώντας ένα συμμετρικό σχέδιο. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης, η διπλή έλικα ανοίγει και κατασκευάζει δύο νέες ίνες DNA από τα αντίστοιχα μισά. Σε αυτό το σημείο, ένα ένζυμο που ονομάζεται "διατήρηση της μεθυλοτρανσφεράσης" μπαίνει για να αντιγράψει όλες τις μεθυλομάδες από την αρχική κλώση στο νεόκτιστο μισό. Ο Madhani και οι συνεργάτες του εξέτασαν τα υπάρχοντα εξελικτικά δέντρα για να εντοπίσουν την ιστορία του C. neoformans με το χρόνο και διαπίστωσαν ότι, κατά τη διάρκεια της Κρητιδικής περιόδου, ο πρόγονος της ζύμης είχε και τα δύο ένζυμα που απαιτούνταν για μεθυλίωση του DNA. Αλλά κάπου στη γραμμή, C. neoformans έχασε το γονίδιο που απαιτείται για την παραγωγή de novo μεθυλοτρανσφεράσης. Χωρίς το ένζυμο, ο οργανισμός δεν θα μπορούσε πλέον να προσθέσει νέες ομάδες μεθυλίου στο DNA του - θα μπορούσε μόνο να αντιγράψει τις υπάρχουσες μεθυλομάδες χρησιμοποιώντας το ένζυμο συντήρησης του. Θεωρητικά, ακόμη και όταν δουλεύει μόνος του, το ένζυμο συντήρησης θα μπορούσε να κρατήσει το DNA καλυμμένο σε ομάδες μεθυλίου για απεριόριστο χρονικό διάστημα - αν μπορούσε να παράγει ένα τέλειο αντίγραφο κάθε φορά. Στην πραγματικότητα, το ένζυμο κάνει λάθη και χάνει τις διαδρομές των ομάδων μεθυλίου κάθε φορά που το κύτταρο χωρίζεται, η ομάδα βρήκε. Όταν τέθηκε σε ένα πιάτο Petri, C. neoformans τα κύτταρα κατά καιρούς κέρδισαν νέες ομάδες μεθυλίου με τυχαία πιθανότητα, παρόμοια με το πώς προκύπτουν τυχαίες μεταλλάξεις στο DNA. Ωστόσο, τα κύτταρα έχασαν μεθύλ ομάδες περίπου 20 φορές ταχύτερα από ό, τι θα μπορούσαν να κερδίσουν νέες. Σε περίπου 7.500 γενεές, κάθε τελευταία ομάδα μεθυλίου θα εξαφανιστεί, αφήνοντας το ένζυμο συντήρησης τίποτα να αντιγράψει, εκτιμά η ομάδα. Δεδομένης της ταχύτητας με την οποία C. neoformans πολλαπλασιάζεται, η ζύμη θα είχε χάσει όλες τις μεθυλομάδες της μέσα σε περίπου 130 χρόνια. Αντ 'αυτού, διατήρησε τις επιγενετικές τροποποιήσεις για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. "Επειδή ο ρυθμός απώλειας είναι υψηλότερος από τον ρυθμό κέρδους, το σύστημα θα χάσει αργά τη μεθυλίωση με την πάροδο του χρόνου αν δεν υπήρχε μηχανισμός για να διατηρηθεί εκεί", δήλωσε ο Madhani. Ο μηχανισμός αυτός είναι φυσική επιλογή, είπε. Με άλλα λόγια, ακόμα κι αν C. neoformans αποκτούσε νέες ομάδες μεθυλίου πολύ πιο αργά από ό, τι τους έχασε, η μεθυλίωση αύξησε δραματικά την "φυσική κατάσταση" του οργανισμού, πράγμα που σήμαινε ότι θα μπορούσε να εξαπολύσει τα άτομα με λιγότερη μεθυλίωση. Τα "προσαρμοσμένα" άτομα επικράτησαν σε εκείνα με λιγότερες ομάδες μεθυλίου και έτσι τα επίπεδα μεθυλίωσης παρέμειναν υψηλότερα σε εκατομμύρια χρόνια. Αλλά τι εξελικτικό πλεονέκτημα θα μπορούσαν να προσφέρουν αυτές οι ομάδες μεθυλίου C. neoformans; Λοιπόν, θα μπορούσαν να προστατεύσουν το γονιδίωμα της ζύμης από δυνητικά θανατηφόρα βλάβη, είπε ο Madhani. Τα τρανσποζόνες, επίσης γνωστά ως "γονίδια πηδαλιούχησης", λυκάνουν γύρω από το γονιδίωμα σε ιδιοτροπία και συχνά εισάγονται σε πολύ άβολα μέρη. Για παράδειγμα, ένα transposon θα μπορούσε να πετάξει στο κέντρο ενός γονιδίου που απαιτείται για την επιβίωση των κυττάρων. ότι το κύτταρο μπορεί να δυσλειτουργεί ή να πεθάνει. Ευτυχώς, οι ομάδες μεθυλίου μπορούν να αρπάξουν τα τρανσποζόνια και να τα κλειδώσουν στη θέση τους. Μπορεί να είναι αυτό C. neoformans διατηρεί ένα ορισμένο επίπεδο μεθυλίωσης του DNA για να κρατήσει υπό έλεγχο τα τρανσποζόν, είπε ο Μαντχάι. "Καμιά μεμονωμένη περιοχή δεν είναι ιδιαίτερα σημαντική, αλλά η συνολική πυκνότητα μεθυλίωσης στα τρανσποζόν επιλέγεται για" πάνω από το εξελικτικό χρονικό διάστημα, πρόσθεσε. "Το ίδιο πράγμα είναι πιθανόν αληθές στα γονιδιώματα μας." Πολλά μυστήρια εξακολουθούν να περιβάλλουν τη μεθυλίωση του DNA C. neoformans. Εκτός από την αντιγραφή των ομάδων μεθυλίου μεταξύ των κλώνων DNA, η διατήρηση της μεθυλοτρανσφεράσης φαίνεται να είναι σημαντική όταν πρόκειται για το πώς η μαγιά προκαλεί λοιμώξεις στους ανθρώπους, σύμφωνα με μια μελέτη του 2008 από τον Madhani. Χωρίς το ένζυμο άθικτο, ο οργανισμός δεν μπορεί να χαράξει στα κύτταρα όσο αποτελεσματικά. «Δεν έχουμε ιδέα γιατί απαιτείται για αποτελεσματική μόλυνση», είπε ο Madhani. Το ένζυμο απαιτεί επίσης να λειτουργούν μεγάλες ποσότητες χημικής ενέργειας και αντιγράφει μόνο ομάδες μεθυλίου στο κενό μισό αναδιπλασιασμένων κλώνων DNA. Σε σύγκριση, το ισοδύναμο ένζυμο σε άλλους οργανισμούς δεν απαιτεί επιπλέον ενέργεια για να λειτουργήσει και μερικές φορές αλληλεπιδρά με γυμνό ϋΝΑ, χωρίς οποιεσδήποτε μεθυλομάδες, σύμφωνα με μια αναφορά που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή preprint bioRxiv. Περαιτέρω έρευνα θα αποκαλύψει ακριβώς πώς λειτουργεί η μεθυλίωση C. neoformans, και εάν αυτή η νέα μορφή εξέλιξης εμφανίζεται σε άλλους οργανισμούς.
