Evolusjon og naturlig seleksjon skjer på nivå med DNA, ettersom gener muterer og genetiske egenskaper enten holder seg rundt eller går tapt over tid. Men nå tror forskere at evolusjonen kan finne sted i en helt annen skala - ikke gitt gjennom gener, men gjennom molekyler som sitter fast på overflatene.
Disse molekylene, kjent som metylgrupper, endrer strukturen til DNA og kan slå gener av og på. Forandringene er kjent som "epigenetiske modifikasjoner", noe som betyr at de vises "over" eller "på toppen av" genomet. Mange organismer, inkludert mennesker, har DNA stiplet med metylgrupper, men skapninger som fruktfluer og rundorm mistet de nødvendige generene for å gjøre det over evolusjonstiden.
En annen organisme, gjæren Cryptococcus neoformans, mistet også nøkkelgener for metylering en gang i krittperioden, for omtrent 50 til 150 millioner år siden. Men bemerkelsesverdig, i sin nåværende form har soppen fremdeles metylgrupper på sitt genom. Nå teoretiserer forskere det C. neoformans var i stand til å henge på epigenetiske redigeringer i flere titalls millioner år, takket være en nyvunnet evolusjonsmåte, ifølge en studie publisert 16. januar i tidsskriftet Cell.
Forskerne bak studien forventet ikke å avdekke en velholdt evolusjonshemmelighet, seniorforfatter Dr. Hiten Madhani, professor i biokjemi og biofysikk ved University of California, San Francisco, og hovedetterforsker ved Chan Zuckerberg Biohub, fortalte Live Science.
Gruppen studerer typisk C. neoformans for bedre å forstå hvordan gjæren forårsaker sopp hjernehinnebetennelse hos mennesker. Soppen har en tendens til å infisere mennesker med svakt immunforsvar og forårsaker omtrent 20% av alle hiv / aids-relaterte dødsfall, ifølge en uttalelse fra UCSF. Madhani og kollegene bruker dagene på å grave gjennom den genetiske koden til C. neoformans, søker etter kritiske gener som hjelper gjæren til å invadere menneskelige celler. Men teamet ble overrasket da det dukket opp rapporter som antydet at det genetiske materialet kommer utsmykket med metylgrupper.
"Da vi lærte hadde DNA-metylering ... Jeg tenkte, vi må se på dette, overhodet ikke vite hva vi ville finne, "sa Madhani. I virveldyr og planter legger celler metylgrupper til DNA ved hjelp av to enzymer. Den første, kalt "de novo methyltransferase," stikker metylgrupper på uporned gener. Enzymet paprika hver halvdel av den spiralformede DNA-strengen med samme mønster av metylgrupper, og skaper en symmetrisk design. Under celledelingen vikler den dobbelte heliksen seg og bygger to nye DNA-tråder fra de matchende halvdelene. På dette tidspunktet svir et enzym kalt "vedlikeholdsmetyltransferase" inn for å kopiere alle metylgruppene fra den opprinnelige tråden til den nybygde halvdelen. Madhani og kollegene så på eksisterende evolusjonstrær for å spore historien til C. neoformans gjennom tid, og fant ut at gjærens forfader i løpet av krittiden hadde begge enzymer som kreves for DNA-metylering. Men et sted langs linjen, C. neoformans mistet genet som trengs for å lage de novo metyltransferase. Uten enzymet kunne organismen ikke lenger legge nye metylgrupper til sitt DNA - den kunne bare kopiere eksisterende metylgrupper ved å bruke vedlikeholdsenzymet. I teorien, til og med å jobbe alene, kunne vedlikeholdsenzymet holde DNA dekket i metylgrupper på ubestemt tid - hvis det kunne produsere en perfekt kopi hver eneste gang. I virkeligheten gjør enzymet feil og mister oversikten over metylgrupper hver gang cellen deler seg, fant teamet. Når du blir oppdratt i en petriskål, C. neoformans celler fikk tidvis nye metylgrupper ved tilfeldig tilfeldighet, likt hvordan tilfeldige mutasjoner oppstår i DNA. Cellene mistet imidlertid metylgrupper omtrent 20 ganger raskere enn de kunne få nye. I løpet av omtrent 7500 generasjoner ville hver siste metylgruppe forsvinne, og ikke vedlikeholde enzymet noe å kopiere, estimerte teamet. Gitt hastigheten som C. neoformans multipliserer, skal gjæren ha mistet alle metylgruppene sine innen omtrent 130 år. I stedet beholdt den de epigenetiske redigeringene i flere titalls millioner år. "Fordi tapsraten er høyere enn gevinsthastigheten, vil systemet sakte miste metylering over tid hvis det ikke var en mekanisme for å holde den der," sa Madhani. Den mekanismen er naturlig valg, sa han. Med andre ord, selv om C. neoformans oppnådde nye metylgrupper mye saktere enn det mistet dem. Metylering økte organismens "egnethet" dramatisk, noe som betydde at den kunne utkonkurrere individer med mindre metylering. "Fit" individer seiret over de med færre metylgrupper, og dermed forble metyleringsnivåene høyere over millioner av år. Men hvilken evolusjonær fordel kunne disse metylgruppene tilby C. neoformans? Vel, de kan beskytte gjærets genom mot potensielt dødelig skade, sa Madhani. Transposoner, også kjent som "hoppende gener", hopper rundt genomet ved innfall og setter seg ofte inn på veldig upraktiske steder. For eksempel kan et transposon hoppe inn i sentrum av et gen som kreves for celleoverlevelse; at cellen kan fungere eller dø. Heldigvis kan metylgrupper ta tak i transposoner og låse dem på plass. Det kan være det C. neoformans opprettholder et visst nivå av DNA-metylering for å holde transposoner i sjakk, sa Madhani. "Ingen individuelle steder er spesielt viktige, men den totale tettheten av metylering på transposoner er valgt for" over evolusjonære tidsrom, la han til. "Det samme er sannsynligvis sant i genomene våre." Mange mysterier omgir fortsatt DNA-metylering i C. neoformans. I tillegg til å kopiere metylgrupper mellom DNA-tråder, synes vedlikeholdsmetyltransferase å være viktig når det gjelder hvordan gjæren forårsaker infeksjoner hos mennesker, ifølge en studie fra 2008 fra Madhani. Uten enzymet intakt, kan ikke organismen hacke seg inn i celler like effektivt. "Vi aner ikke hvorfor det kreves for effektiv infeksjon," sa Madhani. Enzymet krever også store mengder kjemisk energi for å fungere og kopierer bare metylgrupper til den tomme halvparten av replikerte DNA-tråder. Til sammenligning krever det ekvivalente enzymet i andre organismer ikke ekstra energi for å fungere og interagerer noen ganger med naken DNA, uten noen metylgrupper, ifølge en rapport som er lagt ut på forhåndsutskriftsserveren bioRxiv. Videre forskning vil avsløre nøyaktig hvordan metylering fungerer i C. neoformans, og om denne nyvunne evolusjonsformen dukker opp i andre organismer.
