Evoluția și selecția naturală au loc la nivelul ADN-ului, deoarece genele se mută și trăsăturile genetice se blochează sau se pierd în timp. Însă acum, oamenii de știință cred că evoluția poate avea loc pe o altă scară - transmise nu prin gene, ci prin molecule lipite de suprafețele lor.
Aceste molecule, cunoscute sub numele de grupări metil, modifică structura ADN-ului și pot activa și dezactiva genele. Modificările sunt cunoscute sub numele de „modificări epigenetice”, ceea ce înseamnă că apar „deasupra” sau „deasupra” genomului. Multe organisme, inclusiv oamenii, au ADN punctat cu grupări metil, dar creaturi precum muștele fructelor și viermi rotunzi au pierdut genele necesare pentru a face acest lucru în timp evolutiv.
Un alt organism, drojdia Neoformani Cryptococcus, de asemenea, a pierdut genele cheie pentru metilare cândva în perioada Cretaceului, cu aproximativ 50 până la 150 de milioane de ani în urmă. Dar, în mod remarcabil, în forma sa actuală, ciuperca are încă grupări metil pe genomul său. Acum, oamenii de știință teoretizează asta C. neoformani a fost capabil să stea la ediții epigenetice timp de zeci de milioane de ani, grație unui nou mod de evoluție, potrivit unui studiu publicat pe 16 ianuarie în revista Cell.
Cercetătorii din spatele studiului nu se așteptau să descopere un secret bine păstrat al evoluției, autorul principal Dr. Hiten Madhani, profesor de biochimie și biofizică la Universitatea din California, San Francisco, și investigator principal la Chan Zuckerberg Biohub, a spus Știința în direct.
Grupul studiază de obicei C. neoformani pentru a înțelege mai bine cum drojdia provoacă meningită fungică la om. Ciuperca tinde să infecteze oamenii cu sistem imunitar slab și provoacă aproximativ 20% din toate decesele cauzate de HIV / SIDA, potrivit unei declarații a UCSF. Madhani și colegii săi își petrec zilele săpând prin codul genetic al C. neoformani, căutând gene critice care ajută drojdia să invadeze celulele umane. Dar echipa a fost surprinsă când au apărut rapoarte care sugerează că materialul genetic vine împodobit cu grupări metil.
„Când am aflat am avut metilare ADN ... M-am gândit, trebuie să ne uităm la asta, fără să știm deloc ce vom găsi ", a spus Madhani. La vertebrate și plante, celulele adaugă grupări metil la ADN cu ajutorul a două enzime. Primul, numit "metiltransferaza de novo", lipeste grupele metil pe genele neadornite. Enzima arde fiecare jumătate din catena ADN în formă de helix cu același model de grupări metil, creând un design simetric. În timpul diviziunii celulare, dubla elixă se desfășoară și creează două fire noi de ADN din jumătățile potrivite. În acest moment, o enzimă numită "metiltransferază de întreținere" se învârte pentru a copia toate grupările metil din catena inițială pe jumătatea nou construită. Madhani și colegii săi au privit copaci evolutivi existenți pentru a urmări istoria C. neoformani de-a lungul timpului și a constatat că, în perioada cretaceului, strămoșul drojdiei a avut ambele enzime necesare pentru metilarea ADN-ului. Dar undeva de-a lungul liniei, C. neoformani a pierdut gena necesară pentru a face de novo metiltransferaza. Fără enzimă, organismul nu ar mai putea adăuga noi grupări metil în ADN-ul său - ar putea copia doar grupele metil existente, utilizând enzima de întreținere. În teorie, chiar funcționând singur, enzima de întreținere ar putea menține ADN-ul acoperit în grupări metil la nesfârșit - dacă ar putea produce o copie perfectă de fiecare dată. În realitate, enzima face greșeli și pierde evidența grupărilor metil de fiecare dată când celula se împarte, echipa a găsit. Când este crescut într-un vas Petri, C. neoformani celulele au câștigat ocazional noi grupări metil la întâmplare, similar cu modul în care apar mutații aleatorii în ADN. Cu toate acestea, celulele au pierdut grupări metil de aproximativ 20 de ori mai repede decât le-au putut obține altele noi. În aproximativ 7.500 de generații, fiecare ultimă grupare metil ar dispărea, lăsând enzima de întreținere nimic de copiat, a estimat echipa. Având în vedere viteza cu care C. neoformani se multiplică, drojdia ar fi trebuit să-și piardă toate grupările metil în aproximativ 130 de ani. În schimb, a păstrat modificările epigenetice timp de zeci de milioane de ani. "Deoarece rata pierderii este mai mare decât rata câștigului, sistemul ar pierde lent metilarea în timp, dacă nu ar exista un mecanism care să-l mențină acolo", a spus Madhani. Acesta a spus că acest mecanism este selecția naturală. Cu alte cuvinte, chiar dacă C. neoformani câștiga noi grupări metil mult mai lent decât le pierde, metilarea a crescut dramatic „starea de fitness” a organismului, ceea ce a însemnat că ar putea să depășească indivizii cu mai puțin metilare. Indivizii „potriviți” au prevalat față de cei cu mai puține grupe metil și, astfel, nivelurile de metilare au rămas mai mari pe parcursul a milioane de ani. Dar ce avantaj evolutiv ar putea oferi aceste grupări metil C. neoformani? Ei bine, ei ar putea proteja genomul drojdiei de daunele potențial letale, a spus Madhani. Transpozonii, cunoscuți și sub denumirea de „gene săritoare”, se ridică în jurul genomului la capriciu și adesea se introduc în locuri foarte incomode. De exemplu, un transpozon ar putea sări în centrul unei gene necesare supraviețuirii celulare; acea celulă poate să nu funcționeze sau să moară Din fericire, grupurile metil pot apuca pe transpozoni și le pot bloca în loc. S-ar putea ca asta C. neoformani menține un anumit nivel de metilare a ADN-ului pentru a ține controlul transposonilor, a spus Madhani. „Niciun situs individual nu este deosebit de important, dar densitatea generală de metilare pe transpozoni este selectată pentru„ peste perioade de evoluție ”, a adăugat el. „Același lucru este probabil și în genomii noștri”. Multe mistere încă mai înconjoară metilarea ADN-ului C. neoformani. Pe lângă copierea grupărilor metil între catenele ADN, întreținerea metiltransferazei pare a fi importantă atunci când vine vorba despre modul în care drojdia provoacă infecții la om, potrivit unui studiu realizat în 2008 de Madhani. Fără enzima intactă, organismul nu poate intra în celule la fel de eficient. "Nu avem idee de ce este necesară pentru o infecție eficientă", a spus Madhani. De asemenea, enzima necesită cantități mari de energie chimică pentru a funcționa și doar copiază grupele metil pe jumătatea goală a catenelor de ADN reproduse. În comparație, enzima echivalentă în alte organisme nu necesită energie suplimentară pentru a funcționa și uneori interacționează cu ADN-ul gol, lipsit de orice grupă metil, conform unui raport publicat pe serverul de preimprimare bioRxiv. Cercetări suplimentare vor dezvălui exact cum funcționează metilarea C. neoformaniși dacă această nouă formă de evoluție apare în alte organisme.
