Evoluutio ja luonnollinen valinta tapahtuvat DNA: n tasolla, koska geenit muuttuvat ja geneettiset piirteet joko tarttuvat tai menetetään ajan myötä. Mutta nyt tutkijoiden mielestä evoluutio voi tapahtua aivan muussa mittakaavassa - kulkeutuneena ei geenien kautta, vaan niiden pintoihin kiinnittyneiden molekyylien kautta.
Nämä molekyylit, jotka tunnetaan metyyliryhminä, muuttavat DNA: n rakennetta ja voivat kytkeä geenit päälle ja pois. Muutokset tunnetaan "epigeneettisinä modifikaatioina", tarkoittaen, että ne esiintyvät "genomin yläpuolella" tai "päällä". Monilla organismeilla, myös ihmisillä, on DNA: ta, jossa on metyyliryhmiä, mutta olennot kuten hedelmäkärpäkset ja pyöreät ovat menettäneet tarvittavat geenit tehdäkseen niin evoluutioajan kuluessa.
Toinen organismi, hiiva Cryptococcus neoformans, menettivät myös metyloinnin avaingeenit joskus liitukauden aikana, noin 50 - 150 miljoonaa vuotta sitten. Mutta huomattavasti, sen nykyisessä muodossaan sienellä on genomissaan edelleen metyyliryhmiä. Nyt tutkijat teoretisoivat sitä C. neoformans pystyi kiinnittymään epigeneettisiin muokkauksiin kymmeniä miljoonia vuosia uuden löydetyn evoluutiomuodon ansiosta, Cell-lehdessä 16. tammikuuta julkaistun tutkimuksen mukaan.
Tutkimuksen taustalla olevat tutkijat eivät odottaneet paljastavan hyvin pidettyä evoluutiosalaisuutta, vanhempi kirjailija Dr. Hiten Madhani, San Franciscon Kalifornian yliopiston biokemian ja biofysiikan professori ja Chan Zuckerbergin biohubin päätutkija, kertoi Live Sciencelle.
Ryhmä opiskelee yleensä C. neoformans ymmärtää paremmin, kuinka hiiva aiheuttaa sieni-meningiittiä ihmisillä. Sienellä on taipumus tartuttaa ihmisiä, joilla on heikko immuunijärjestelmä, ja se aiheuttaa noin 20% kaikista HIV / AIDS: iin liittyvistä kuolemista, sanotaan UCSF: n lausunnossa. Madhani ja hänen kollegansa viettävät päivään etsimässä C. neoformans, etsien kriittisiä geenejä, jotka auttavat hiivaa tunkeutumaan ihmisen soluihin. Mutta joukkue yllättyi, kun ilmestyi raportteja, joiden mukaan geneettinen materiaali koristeltiin metyyliryhmillä.
"Kun opimme oli DNA-metylaatio… ajattelin, että meidän on tarkasteltava tätä, tietämättä ollenkaan mitä olisimme löytäneet ”, Madhani sanoi. Selkärankaisissa ja kasveissa solut lisäävät metyyliryhmiä DNA: han kahden entsyymin avulla. Ensimmäinen, nimeltään "de novo metyylitransferaasi", tarttuu metyyliryhmiin koristamattomiin geeneihin. Entsyymi paprikoi jokaisen puolin helix-muotoisesta DNA-juosteesta samalla metyyliryhmien kuviolla, luomalla symmetrisen muodon. Solujen jakautumisen aikana kaksoiskierre paljastuu ja rakentaa kaksi uutta DNA-juostetta vastaavista puoliskoista. Tässä vaiheessa entsyymi, jota kutsutaan "ylläpitäväksi metyylitransferaasiksi", pyörii sisään kopioimaan kaikki metyyliryhmät alkuperäisestä juosteesta vastavalmistuneelle puoliskolle. Madhani ja hänen kollegansa tarkastelivat olemassa olevia evoluutiopuita jäljittääksen historiaa C. neoformans läpi ajan, ja havaitsi, että liitukaudella hiivan esi-isällä oli molemmat entsyymit, jotka tarvittiin DNA-metylaatioon. Mutta jossain linjan varrella, C. neoformans menetti geenin, jota tarvittiin de novo-metyylitransferaasin valmistamiseksi. Ilman entsyymiä organismi ei voinut enää lisätä uusia metyyliryhmiä DNA: hansa - se pystyi kopioimaan olemassa olevat metyyliryhmät vain ylläpitoentsyyminsä avulla. Teoriassa jopa yksin työskentelemällä ylläpitoentsyymi voisi pitää DNA: ta peitettynä metyyliryhmissä määräämättömäksi ajaksi - jos se pystyisi tuottamaan täydellisen kopion joka kerta. Todellisuudessa entsyymi tekee virheitä ja menettää metyyliryhmien seurannan joka kerta kun solu jakautuu, joukkue löysi. Kun kasvatetaan petrimaljassa, C. neoformans solut saivat satunnaisesti satunnaisesti uusia metyyliryhmiä, samoin kuin miten satunnaiset mutaatiot syntyvät DNA: ssa. Solut kuitenkin menettivät metyyliryhmiä noin 20 kertaa nopeammin kuin ne voisivat saada uusia. Noin 7500 sukupolven sisällä jokainen viimeinen metyyliryhmä katosi, joten ylläpitoentsyymillä ei olisi mitään kopioita, arvioi joukkue. Ottaen huomioon nopeuden, jolla C. neoformans kertoo, hiivan olisi pitänyt menettää kaikki metyyliryhmänsä noin 130 vuoden kuluessa. Sen sijaan se säilytti epigeneettiset muokkaukset kymmeniä miljoonia vuosia. "Koska menetysaste on korkeampi kuin voittoaste, järjestelmä menettää hitaasti metyloinnin ajan myötä, jos ei ole mekanismia sen pitämiseksi", Madhani sanoi. Tämä mekanismi on luonnollinen valinta, hän sanoi. Toisin sanoen, vaikka C. neoformans oli saamassa uusia metyyliryhmiä paljon hitaammin kuin se oli menettämässä niitä, metylaatio lisäsi dramaattisesti organismin "kuntoa", mikä tarkoitti, että se voisi kilpailla kilpailijoista vähemmän metyloituneilla. "Sopivat" yksilöt hallitsivat niitä, joilla oli vähemmän metyyliryhmiä, ja siten metylaatiotasot pysyivät korkeammina miljoonien vuosien ajan. Mutta mitä evoluutioetua nämä metyyliryhmät voisivat tarjota C. neoformans? No, ne saattavat suojata hiivan perimää mahdollisesti tappavalta vahingolta, Madhani sanoi. Transposonit, jotka tunnetaan myös nimellä "hyppygeenit", hyppäävät genomin ympärille mielivaltaan ja sijoittavat usein itsensä erittäin hankaliin paikkoihin. Esimerkiksi, transposoni voi hypätä geenin keskelle, jota tarvitaan solujen selviytymiseen; että solu saattaa toimia väärin tai kuolla. Onneksi metyyliryhmät voivat tarttua transposoneihin ja lukita ne paikoilleen. Se voi olla niin C. neoformans ylläpitää tiettyä DNA-metylaatiotasoa pitääkseen transposonit kurissa, Madhani sanoi. "Yksikään yksittäinen kohta ei ole erityisen tärkeä, mutta yleinen metylaatiotiheys transposoneissa valitaan" evoluutioaikojen yli ", hän lisäsi. "Sama asia on todennäköisesti totta genomissamme." Monet mysteerit ympäröivät edelleen DNA: n metylaatiota C. neoformans. Madhanin vuonna 2008 tekemän tutkimuksen mukaan ylläpitometyylitransferaasi näyttää olevan tärkeä metyyliryhmien kopioinnin lisäksi DNA-juosteiden välillä, kun ylläpidetään metyylitransferaasia. Ilman entsyymiä ehjä, organismi ei voi hakata soluihin yhtä tehokkaasti. "Meillä ei ole aavistustakaan, miksi sitä tarvitaan tehokkaaseen tartuntaan", Madhani sanoi. Entsyymi vaatii myös suuria määriä kemiallista energiaa toimiakseen ja kopioi vain metyyliryhmät replikoitujen DNA-juosteiden tyhjälle puoliskolle. Vertailun vuoksi, muiden organismien ekvivalentti entsyymi ei vaadi ylimääräistä energiaa toimimiseksi ja on joskus vuorovaikutuksessa paljaan DNA: n kanssa, josta puuttuu metyyliryhmiä, preprint-palvelimelle bioRxiv julkaistun raportin mukaan. Jatkotutkimukset paljastavat tarkalleen kuinka metylaatio toimii C. neoformans, ja esiintyykö tämä uusi keksintömuoto muissa organismeissa.
