Еволюцията и естественият подбор се осъществяват на нивото на ДНК, тъй като гените мутират и генетичните черти или се задържат, или се губят с течение на времето. Но сега учените смятат, че еволюцията може да се осъществи в съвсем друг мащаб - предадена не чрез гени, а чрез молекули, залепени на повърхностите им.
Тези молекули, известни като метилови групи, променят структурата на ДНК и могат да включат и изключват гени. Промените са известни като "епигенетични модификации", което означава, че се появяват "отгоре" или "отгоре" на генома. Много организми, включително хора, имат ДНК, осеяна с метилови групи, но същества като плодови мухи и кръгли червеи са загубили необходимите гени за това през еволюционното време.
Друг организъм, маята Cryptococcus neoformans, също са загубили ключови гени за метилиране някъде през периода Креда, преди около 50 до 150 милиона години. Но забележително е, че в сегашния си вид гъбата все още има метилови групи върху генома си. Сега учените теоретизират това В. неоформани е бил в състояние да се придържа към епигенетичните редакции за десетки милиони години, благодарение на нов начин на еволюция, според проучване, публикувано на 16 януари в списание Cell.
Изследователите, стоящи зад проучването, не очакваха да разкрият добре пазената тайна на еволюцията, старши автор д-р Хитън Мадхани, професор по биохимия и биофизика в Калифорнийския университет, Сан Франциско, и главен изследовател в биохуба Чан Зукерберг, каза Live Science.
Групата обикновено проучва В. неоформани за да разберем по-добре как дрождите причиняват гъбичен менингит при хората. Гъбата е склонна да зарази хората със слаба имунна система и причинява около 20% от всички смъртни случаи, свързани с ХИВ / СПИН, се казва в изявление на UCSF. Мадхани и неговите колеги прекарват дните си, копаейки генетичния код на В. неоформани, търсейки критични гени, които помагат на дрождите да нахлуят в човешките клетки. Екипът обаче се изненада, когато се появиха съобщения, сочещи, че генетичният материал идва украсен с метилови групи.
„Когато научихме имаше метилиране на ДНК ... Мислех си, че трябва да разгледаме това, без изобщо да знаем какво ще намерим ", каза Мадхани. В гръбначни и растения клетките добавят метилови групи към ДНК с помощта на два ензима. Първата, наречена "de novo метилтрансфераза", залепва метилови групи върху неприсъщи гени. Ензимният пипер на всяка половина от нишката във формата на спирала на ДНК със същия модел от метилови групи, създавайки симетричен дизайн. По време на клетъчното делене двойната спирала се разгръща и изгражда две нови нишки на ДНК от съвпадащите половини. В този момент ензим, наречен "поддържаща метилтрансфераза", се включва, за да копира всички метилови групи от оригиналната верига върху новопостроената половина. Мадхани и неговите колеги разгледаха съществуващите еволюционни дървета, за да проследят историята на В. неоформани през времето и установихме, че по време на периода Креда, прародителят на дрождите има и двата ензима, необходими за метилиране на ДНК. Но някъде по линията, В. неоформани загуби гена, необходим за производството на de novo метилтрансфераза. Без ензима, организмът вече не би могъл да добавя нови метилови групи към своята ДНК - той може само да копира съществуващите метилови групи, използвайки поддържащия си ензим. На теория, дори да работи сам, ензимът за поддържане може да държи ДНК покрита в метилни групи за неопределено време - ако може да създаде перфектно копие всеки път. В действителност ензимът прави грешки и губи следи от метилови групи всеки път, когато клетката се дели, откри екипът. Когато се отглежда в петри, В. неоформани клетките понякога получават нови метилови групи по случаен случай, подобно на това как възникват случайни мутации в ДНК. Клетките обаче губят метилови групи около 20 пъти по-бързо, отколкото биха могли да получат нови. В рамките на около 7500 поколения всяка последна метилова група би изчезнала, оставяйки поддържащия ензим нищо да копира, изчисли екипът. Предвид скоростта, с която В. неоформани размножава се, маята трябва да е загубила всичките си метилови групи в рамките на около 130 години. Вместо това тя запази епигенетичните редакции за десетки милиони години. "Тъй като степента на загуба е по-висока от степента на печалба, системата бавно ще загуби метилиране с течение на времето, ако няма механизъм, който да я задържи там", каза Мадхани. Този механизъм е естествен подбор, каза той. С други думи, въпреки че В. неоформани придобиваше нови метилови групи много по-бавно, отколкото ги губеше, метилирането драстично повишава „годността на организма“, което означава, че може да изпревари индивидите с по-малко метилиране. „Годни“ индивиди надделяват над тези с по-малко метилови групи и по този начин нивата на метилиране остават по-високи през милиони години. Но какво еволюционно предимство биха могли да предложат тези метилови групи В. неоформани? Е, те биха могли да защитят генома на дрождите от потенциално смъртоносни щети, каза Мадхани. Транспозоните, известни още като "скачащи гени", скачат около генома по прищявка и често се поставят на много неудобни места. Например, транспозонът може да скочи в центъра на ген, необходим за оцеляване на клетките; тази клетка може да не работи или да умре. За щастие метиловите групи могат да се хванат за транспозони и да ги заключат на място. Може да е това В. неоформани поддържа определено ниво на метилиране на ДНК, за да поддържа контрола на транспозоните, каза Мадхани. "Нито един отделен сайт не е особено важен, но общата плътност на метилиране на транспозони е избрана за" през еволюционните времеви интервали, добави той. "Същото нещо вероятно е вярно и в нашите геноми." Много мистерии все още обграждат метилирането на ДНК в В. неоформани, Освен копирането на метилни групи между нишките на ДНК, поддържащата метилтрансфераза изглежда важна, когато става въпрос за това как дрождите причиняват инфекции при хората, според проучване от Мадхани от 2008 г. Без ензима непокътнат, организмът не може да навлезе в клетките толкова ефективно. "Нямаме представа защо е необходима ефикасна инфекция", каза Мадхани. Ензимът също изисква големи количества химическа енергия, за да функционира и копира само метилови групи върху празната половина от репликираните нишки на ДНК. За сравнение, еквивалентният ензим в други организми не се нуждае от допълнителна енергия, за да функционира и понякога взаимодейства с гола ДНК, лишена от всякакви метилови групи, според доклад, публикуван на сървъра за отпечатване bioRxiv. Допълнителни изследвания ще разкрият как точно работи метилирането В. неоформании дали тази нова форма на еволюция се появява при други организми.
