Az evolúció és a természetes szelekció a DNS szintjén zajlik, mivel a gének mutációja és a genetikai tulajdonságok ragaszkodnak, vagy idővel elvesznek. A tudósok azonban most azt gondolják, hogy az evolúció egészen más léptékben zajlik - nem a génekön keresztül, hanem a felületükhöz ragadt molekulákon keresztül.
Ezek a metilcsoportként ismert molekulák megváltoztatják a DNS szerkezetét, és be- és kikapcsolhatják a géneket. Az eltéréseket "epigenetikus módosítások" -nak nevezzük, ami azt jelenti, hogy "a genom felett" vagy "tetején" jelennek meg. Számos szervezetben, beleértve az embereket is, a metilcsoportokkal pontozott DNS van, de az olyan lények, mint a gyümölcslegyek és a kerekesférgek, az evolúciós idő alatt elveszítették a szükséges géneket.
Egy másik szervezet, az élesztő Cryptococcus neoformans, valamikor a krétakor alatt is, kb. 50–150 millió évvel ezelőtt elveszítették a metilezés kulcsfontosságú géneit. Figyelemre méltó, hogy jelenlegi formájában a gomba genomjában még mindig metilcsoportok vannak. A tudósok ezt teoretikusaknak tartják C. neoformans egy újonnan kialakított evolúciós módnak köszönhetően több tízmillió évig képes volt epigenetikus szerkesztésekre ragaszkodni, mondja a Cell folyóiratban január 16-án közzétett tanulmány.
A tanulmány mögött álló kutatók nem számítottak arra, hogy feltárják az evolúció gondozott gondolatait, Dr. Hiten Madhani, a San Francisco-i Kaliforniai Egyetem biokémiai és biofizikai professzora, valamint a Chan Zuckerberg Biohub vezető kutatója, Dr. mondta a Live Science.
A csoport általában tanul C. neoformans annak jobb megértése, hogy az élesztő hogyan okozza a gombás meningitist az emberekben. Az UCSF nyilatkozata szerint a gomba gyenge immunrendszerrel fertőzi az embereket, és a HIV / AIDS-szel kapcsolatos összes haláleset kb. 20% -át okozza. Madhani és kollégái napjaikat a GSE genetikai kódjának átkutatásával töltik C. neoformans, olyan kritikus gének keresése, amelyek segítik az élesztőt az emberi sejtek behatolásában. De a csapat meglepődött, amikor jelentések jelentkeztek, amelyek szerint a genetikai anyag metilcsoportokkal díszített.
"Amikor megtudtuk volt DNS-metilezés ... Azt gondoltam, ezt meg kell vizsgálnunk, egyáltalán nem tudva, mit találunk. "- mondta Madhani. A gerinces állatokban és a növényekben a sejtek metilcsoportokat adnak a DNS-hez két enzim segítségével. Az első, az úgynevezett "de novo metil-transzferáz" a metilcsoportokat ragasztja a páratlan génekre. Az enzim a hélix-alakú DNS-szál mindkét felét paprikáival megegyező metilcsoportokkal mintázza, szimmetrikus kialakítást hozva létre. A sejtosztódás során a kettős spirál kibontakozik és két új DNS-szálat épít fel a megfelelő felekből. Ezen a ponton egy "fenntartó metil-transzferáz" elnevezésű enzim lép be, hogy az összes metilcsoportot az eredeti szálból az újonnan épített félbe másolja. Madhani és kollégái a meglévő evolúciós fákat nézték meg, hogy nyomon kövessék a történetet C. neoformans és úgy találta, hogy a krétakor alatt az élesztő őse mindkét enzimmel rendelkezik a DNS metilezéséhez. De valahol a vonal mentén, C. neoformans elvesztette a de novo metil-transzferáz előállításához szükséges gént. Az enzim nélkül a szervezet már nem tudott új metilcsoportokat hozzáadni a DNS-éhez - csak megtarthatja a meglévő metilcsoportokat a fenntartó enzim felhasználásával. Elméletileg, akár egyedül is, a fenntartó enzim korlátlan ideig képes a DNS-t metilcsoportokban lefedni - ha minden alkalommal tökéletes másolatot tud készíteni. A valóságban az enzim hibákat okoz, és a sejt elosztásakor elveszíti a metilcsoportok nyomon követését. Ha Petri-csészében emelik, C. neoformans a sejtek véletlenszerűen véletlenszerű úton szereztek új metilcsoportokat, hasonlóan ahhoz, hogy a véletlenszerű mutációk hogyan alakulnak ki a DNS-ben. A sejtek azonban mintegy 20-szor gyorsabban veszítették el a metilcsoportokat, mint amennyivel újakat tudnának nyerni. Körülbelül 7500 generáción belül minden utolsó metilcsoport eltűnik, és a fenntartó enzimet semmi sem képes lemásolni. Tekintettel arra a sebességre, amellyel C. neoformans szaporodik, az élesztőnek körülbelül 130 éven belül el kell veszítenie az összes metilcsoportját. Ehelyett tízmillió évig megtartotta az epigenetikus szerkesztéseket. "Mivel a veszteség magasabb, mint a nyereség mértéke, a rendszer lassan elveszíti a metilezést az idő múlásával, ha nem lenne mechanizmus annak fenntartására" - mondta Madhani. Ez a mechanizmus a természetes szelekció - mondta. Más szavakkal, bár C. neoformans sokkal lassabban nyert új metilcsoportokat, mint elvesztette őket, a metilezés drasztikusan növelte a szervezet "alkalmasságát", ami azt jelentette, hogy kevesebb metilációval képes az egyének versenytársainak kiszámításához. A "fit" egyének voltak a kevesebb metilcsoporttal rendelkezőkkel szemben, és így a metilezési szint több millió év alatt magasabb maradt. De milyen evolúciós előnyt kínálhatnak ezek a metilcsoportok? C. neoformans? Lehet, hogy megvédik az élesztő genomját a potenciálisan halálos károsodásoktól - mondta Madhani. A transzpozonok, más néven "ugráló gének" ugrálnak a genom körül szeszélyben, és gyakran nagyon kellemetlen helyekbe helyezik magukat. Például egy transzpozon ugrhat a sejtek túléléséhez szükséges gén középpontjába; ez a cell meghibásodhat vagy meghalhat. Szerencsére a metilcsoportok megragadhatnak a transzpozonokra és rögzíthetik azokat a helyükön. Lehet, hogy az C. neoformans fenntartja egy bizonyos szintű DNS-metilezést a transzpozonok ellenőrzésének fenntartása érdekében - mondta Madhani. "Egyetlen hely sem különösebben fontos, de a transzpozonok metilezésének teljes sűrűségét választottuk" - az evolúciós időkereten túl - tette hozzá. "Valószínűleg ugyanez igaz a genomjainkban." Számos rejtély továbbra is körülveszi a DNS metilációját C. neoformans. Amellett, hogy a metilcsoportokat a DNS-szálak között másolják, úgy tűnik, hogy a fenntartó metil-transzferáz is fontos annak meghatározásakor, hogy az élesztő hogyan okozhat fertőzést az emberekben - állítja Madhani egy 2008. évi tanulmánya. Az enzim sértetlensége nélkül a szervezet nem képes olyan hatékonyan feltörni a sejtekbe. "Fogalmunk sincs, miért szükséges a hatékony fertőzéshez" - mondta Madhani. Az enzim működéséhez nagy mennyiségű kémiai energiát is igényel, és csak a metilcsoportokat másolja a replikált DNS-szálak vak felére. Összehasonlításképpen: más szervezetekben lévő ekvivalens enzim nem igényel extra energiát a működéséhez, és néha meztelen DNS-sel kölcsönhatásba lép, amelyben nincs metilcsoport, a bioRxiv preprint nyomtatószerverén közzétett jelentés szerint. A további kutatások pontosan feltárják, hogyan működik a metilezés C. neoformans, és hogy az evolúció ezen újfajta formája megjelenik-e más szervezetekben is.
