Evolutsioon ja looduslik valik toimub DNA tasemel, kuna geenid muteeruvad ja geneetilised tunnused kleepuvad või kaovad aja jooksul. Kuid nüüd arvavad teadlased, et evolutsioon võib toimuda hoopis teisel skaalal - mitte geenide kaudu, vaid nende pinnale kleepunud molekulide kaudu.
Need molekulid, mida nimetatakse metüülrühmadeks, muudavad DNA struktuuri ja võivad geene sisse ja välja lülitada. Muutusi nimetatakse "epigeneetilisteks modifikatsioonideks", mis tähendab, et need esinevad genoomi kohal "või" peal. Paljudel organismidel, sealhulgas inimestel, on DNA metüülrühmadega punktiir, kuid olendid, nagu näiteks puuviljakärbsed ja ümarussid, kaotasid evolutsiooniaja jooksul selleks vajalikud geenid.
Teine organism, pärm Cryptococcus neoformans, kaotasid ka metüleerimise võtmegeenid millalgi kriidiajal, umbes 50–150 miljonit aastat tagasi. Kuid tähelepanuväärselt on seene praegusel kujul genoomis endiselt metüülrühmad. Nüüd teoreetivad teadlased seda C. neoformans sai 16. jaanuaril ajakirjas Cell avaldatud uuringu kohaselt tänu uuele levinud evolutsioonirežiimile toetuda kümnete miljonite aastate jooksul epigeneetilistele muudatustele.
Uuringu taga olnud teadlased ei osanud loota evolutsioonis hästi hoitud saladuse paljastamist, San Francisco California ülikooli biokeemia ja biofüüsika professor vanem Autor dr Hiten Madhani ning Chan Zuckerbergi Biohubi juhtivteadur, rääkis Live Science.
Tavaliselt õpib rühm C. neoformans paremini mõista, kuidas pärm põhjustab inimestel seenhaiguste meningiiti. Seene kipub nõrga immuunsussüsteemiga inimesi nakatama ja põhjustab UCSF-i avalduses umbes 20% kõigist HIV / AIDS-iga seotud surmadest. Madhani ja tema kolleegid veedavad oma päevi C. neoformans, otsides kriitilisi geene, mis aitavad pärmil tungida inimese rakkudesse. Kuid meeskond oli üllatunud, kui ilmnesid teated, mille kohaselt geneetiline materjal on kaunistatud metüülrühmadega.
"Kui me õppisime oli DNA metüleerimine ... Arvasin, et peame seda vaatama, teadmata üldse, mida me leiame, "rääkis Madhani. Selgroogsetel ja taimedel lisavad rakud kahe ensüümi abil DNA-le metüülrühmi. Esimene, nn de novo metüültransferaas, kleepib metüülrühmad ilustamata geenide külge. Ensüüm hapestab kummagi poole heeliksikujulist DNA ahelat metüülrühmade sama mustriga, luues sümmeetrilise kujunduse. Rakkude jagunemise ajal kahekordne spiraal avaneb ja ehitab sobivatest pooltest kaks uut DNA ahelat. Sel hetkel pöördub ensüüm nimega "säilitusmetüültransferaas", et kopeerida kõik metüülrühmad algsest ahelast vastvalminud poolele. Madhani ja tema kolleegid vaatasid olemasolevaid evolutsioonipuid, et jälgida nende ajalugu C. neoformans läbi aja ja leidis, et kriidiajal olid pärmi esivanemal mõlemad DNA metüülimiseks vajalikud ensüümid. Aga kuskil piki joont C. neoformans kaotas de novo metüültransferaasi valmistamiseks vajaliku geeni. Ilma ensüümita ei saaks organism enam oma DNA-le uusi metüülrühmi lisada - olemasolevaid metüülrühmi sai ta kopeerida ainult oma säilitusensüümi kasutades. Teoreetiliselt võiks hooldusensüüm isegi üksi töötades hoida DNA-d metüülrühmades lõpmatuseni katmata - kui see suudaks iga kord täiusliku koopia toota. Reaalselt teeb ensüüm vigu ja kaotab iga raku jagamisel metüülrühmade jälgimise, leidis meeskond. Petri tassis kasvatades C. neoformans rakud said juhuslikult juhuslikult uusi metüülrühmi, sarnaselt sellele, kuidas juhuslikud mutatsioonid tekivad DNA-s. Kuid rakud kaotasid metüülrühmi umbes 20 korda kiiremini, kui nad võisid uusi saada. Umbes 7500 põlvkonna jooksul kaob iga viimane metüülrühm, jättes säilitusensüümi mitte midagi kopeerida, hindas meeskond. Arvestades kiirust, millega C. neoformans paljuneb, oleks pärm pidanud oma metüülrühmad kaotama umbes 130 aasta jooksul. Selle asemel säilitas see epigeneetilisi muudatusi kümneid miljoneid aastaid. "Kuna kadumismäär on suurem kui võimenduse määr, kaotaks süsteem aja jooksul metüleerimise aeglaselt, kui poleks mehhanismi selle hoidmiseks," ütles Madhani. Ta ütles, et see mehhanism on loomulik valik. Teisisõnu, kuigi C. neoformans oli uute metüülrühmade saamine palju aeglasem kui nende kaotamine, suurendas metüleerimine dramaatiliselt organismi "võimekust", mis tähendas, et see võib vähem metüleerunud indiviide konkureerida. "Sobivad" isikud olid ülekaalus nende suhtes, kellel oli vähem metüülrühmi, ja seega püsis metüleerimise tase miljonite aastate jooksul kõrgem. Millist evolutsioonilist eelist võiksid need metüülrühmad pakkuda C. neoformans? Noh, nad võivad kaitsta pärmi genoomi potentsiaalselt surmava kahjustuse eest, ütles Madhani. Transposoonid, tuntud ka kui "hüppavad geenid", hüppavad genoomi ümber kapriisidele ja sisestavad end sageli väga ebamugavatesse kohtadesse. Näiteks võib transposoon hüpata raku ellujäämiseks vajaliku geeni keskele; see rakk võib põhjustada talitlushäireid või surra. Õnneks saavad metüülrühmad haarata transposoonidele ja lukustada need oma kohale. See võib nii olla C. neoformans säilitab teatud tasemel DNA metüleerimise, et hoida transposoonid kontrolli all, ütles Madhani. "Ükski üksik sait pole eriti oluline, kuid transposoonide metüleerimise üldine tihedus valitakse evolutsioonilise aja jooksul," lisas ta. "Sama asi on ilmselt ka meie genoomides." DNA metüülimist ümbritsevad paljud saladused endiselt C. neoformans. Madhani 2008. aasta uuringu kohaselt näib lisaks metüülrühmade kopeerimisele DNA ahelate vahel säilitusmetüültransferaas oluline ka siis, kui pärm põhjustab inimestel nakkusi. Ilma ensüümi puutumata ei saa organism rakkudesse häkkida. "Meil pole aimugi, miks see tõhusaks nakatumiseks vajalik on," sõnas Madhani. Ensüüm vajab toimimiseks ka suures koguses keemilist energiat ja kopeerib ainult metüülrühmad replitseeritud DNA ahelate tühjale poolele. Võrdluseks - teiste organismide ekvivalentensüüm ei vaja toimimiseks lisaenergiat ja mõnikord interakteerub see palja DNA-ga, milles puuduvad metüülrühmad, vastavalt eeltrükiserverisse bioRxiv postitatud aruandele. Edasised uuringud näitavad täpselt, kuidas metüleerimine töötab C. neoformansja kas see uusvormiline evolutsioonivorm ilmneb ka teistes organismides.
