Evolution och naturligt urval sker på DNA-nivå, eftersom gener muterar och genetiska egenskaper antingen sticker runt eller går förlorade över tid. Men nu tror forskare att evolution kan äga rum i en helt annan skala - överförd inte genom gener utan genom molekyler som fastnat på deras ytor.
Dessa molekyler, kända som metylgrupper, förändrar strukturen hos DNA och kan slå gener på och av. Förändringarna är kända som "epigenetiska modifikationer", vilket betyder att de verkar "ovan" eller "ovanpå" genomet. Många organismer, inklusive människor, har DNA prickade med metylgrupper, men varelser som fruktflugor och rundmaskar förlorade de nödvändiga generna för att göra det under evolutionär tid.
En annan organisme, jäst Cryptococcus neoformans, förlorade också nyckelgener för metylering någon gång under den kritiska perioden, för cirka 50 till 150 miljoner år sedan. Men anmärkningsvärt, i sin nuvarande form, har svampen fortfarande metylgrupper på sitt genom. Nu teoretiserar forskare det C. neoformans kunde hålla fast vid epigenetiska redigeringar i tiotals miljoner år, tack vare ett nygrundat utvecklingssätt, enligt en studie publicerad 16 januari i tidskriften Cell.
Forskarna bakom studien förväntade sig inte att avslöja en väl bevarad evolution av hemligheten, seniorförfattaren Dr. Hiten Madhani, professor i biokemi och biofysik vid University of California, San Francisco, och huvudutredare vid Chan Zuckerberg Biohub, berättade Live Science.
Gruppen studerar vanligtvis C. neoformans för att bättre förstå hur jästen orsakar svamp meningit hos människor. Svampen tenderar att smitta människor med svagt immunförsvar och orsakar cirka 20% av alla hiv / aids-relaterade dödsfall, enligt ett uttalande från UCSF. Madhani och hans kollegor tillbringar sina dagar med att gräva igenom den genetiska koden till C. neoformans, söker efter kritiska gener som hjälper jästen att invadera mänskliga celler. Men teamet blev förvånad när rapporter kom fram som tyder på att det genetiska materialet kommer prydd med metylgrupper.
"När vi lärde oss hade DNA-metylering ... Jag tänkte, vi måste titta på detta utan att veta alls vad vi skulle hitta, ”sade Madhani. I ryggradsdjur och växter lägger celler till metylgrupper till DNA med hjälp av två enzymer. Den första, kallad "de novo-metyltransferas," fäster metylgrupper på orörda gener. Enzym paprika varje hälften av den spiralformade DNA-strängen med samma mönster av metylgrupper, vilket skapar en symmetrisk design. Under celldelning släpper dubbla spiralen upp och bygger två nya DNA-strängar från de matchande halvorna. Vid denna punkt svänger ett enzym som kallas "underhållsmetyltransferas" för att kopiera alla metylgrupperna från den ursprungliga strängen till den nybyggda halvan. Madhani och hans kollegor tittade på befintliga evolutionära träd för att spåra historien om C. neoformans genom tiden och fann att jästens förfader under den kritiska perioden hade båda enzymer som krävs för DNA-metylering. Men någonstans längs linjen, C. neoformans förlorade genen som behövs för att göra de novo metyltransferas. Utan enzymet kunde organismen inte längre lägga till nya metylgrupper till sitt DNA - den kunde bara kopiera befintliga metylgrupper med dess underhållsenzymet. I teorin, till och med att arbeta ensamt, kan underhållsenzymet hålla DNA täckt i metylgrupper på obestämd tid - om det skulle kunna producera en perfekt kopia varje gång. I verkligheten gör enzymet misstag och förlorar koll på metylgrupper varje gång cellen delar sig, fann teamet. När den tas upp i en petriskål, C. neoformans celler fick ibland nya metylgrupper av slumpmässig slump, liknande hur slumpmässiga mutationer uppstår i DNA. Men cellerna förlorade metylgrupper ungefär 20 gånger snabbare än de kunde få nya. Inom cirka 7 500 generationer skulle varje sista metylgrupp försvinna och lämnade underhållsenzymet inget att kopiera, uppskattade teamet. Med tanke på hastigheten där C. neoformans multiplicerar bör jästen ha tappat alla sina metylgrupper inom cirka 130 år. Istället behöll den epigenetiska redigeringarna i tiotals miljoner år. "Eftersom förlustgraden är högre än vinstnivån skulle systemet långsamt förlora metylering över tiden om det inte fanns någon mekanism för att hålla den där," sade Madhani. Den mekanismen är ett naturligt urval, sade han. Med andra ord, även om C. neoformans fick nya metylgrupper mycket långsammare än det förlorade dem, metylering ökade dramatiskt organismens "kondition", vilket innebar att den kunde överträffa individer med mindre metylering. "Fit" individer rådde över de med färre metylgrupper, och således förblev metyleringsnivåerna högre under miljoner år. Men vilken evolutionär fördel kunde dessa metylgrupper ge C. neoformans? De kan skydda jästgenomen från potentiellt dödliga skador, sade Madhani. Transposoner, även kända som "hoppande gener", hoppar runt genomet när det passar och sätter ofta in sig på mycket obekväma platser. Till exempel kan ett transposon hoppa in i mitten av en gen som krävs för cellöverlevnad; den cellen kan fungera eller dö. Lyckligtvis kan metylgrupper ta tag i transposoner och låsa dem på plats. Det kan vara så C. neoformans upprätthåller en viss nivå av DNA-metylering för att hålla transposoner i schack, sade Madhani. "Ingen enskild plats är särskilt viktig, men den totala tätheten av metylering på transposoner väljs för" över evolutionära tidsskalor, tillade han. "Samma sak är förmodligen sant i våra genomer." Många mysterier omger fortfarande DNA-metylering i C. neoformans. Förutom att kopiera metylgrupper mellan DNA-strängar verkar underhållsmetyltransferas vara viktigt när det gäller hur jästen orsakar infektioner hos människor, enligt en studie från Madhani från 2008. Utan enzymet intakt, kan organismen inte hacka in i celler lika effektivt. "Vi har ingen aning om varför det krävs för effektiv infektion," sade Madhani. Enzymet kräver också stora mängder kemisk energi för att fungera och kopierar endast metylgrupper till den tomma hälften av replikerade DNA-strängar. Som jämförelse kräver det ekvivalenta enzymet i andra organismer inte extra energi för att fungera och interagerar ibland med naket DNA, utan några metylgrupper, enligt en rapport publicerad på förtrycksservern bioRxiv. Ytterligare forskning kommer att avslöja exakt hur metylering fungerar i C. neoformans, och om denna nyfundna utvecklingsform förekommer i andra organismer.
