Evolucija i prirodna selekcija odvijaju se na razini DNK jer geni mutiraju, a genetske osobine se zadržavaju ili se s vremenom gube. Ali sada, znanstvenici misle da se evolucija može odvijati na posve drugoj ljestvici - koja se prenosi ne kroz gene, već kroz molekule zalijepljene na njihovim površinama.
Te molekule poznate kao metilne skupine mijenjaju strukturu DNK i mogu uključivati i isključivati gene. Promjene su poznate i kao "epigenetičke modifikacije", što znači da se pojavljuju "iznad" ili "na vrhu" genoma. Mnogi organizmi, uključujući ljude, imaju DNK isprekidani metilnim skupinama, ali bića poput voćnih muha i okruglih crvi izgubila su potrebne gene da to učine tijekom evolucijskog vremena.
Drugi organizam, kvasac Cryptococcus neoformans, također su izgubili ključne gene za metilaciju negdje tijekom razdoblja krede, prije otprilike 50 do 150 milijuna godina. No nevjerojatno je da u svom trenutnom obliku gljiva još uvijek sadrži metilne skupine na svom genomu. Sada, znanstvenici to teoretiziraju C. neoformans bio sposoban zadržati se na epigenetskim uređivanjima kroz desetke milijuna godina zahvaljujući novom pronađenom načinu evolucije, navodi se u studiji objavljenoj 16. siječnja u časopisu Cell.
Istraživači koji stoje iza studije nisu očekivali da će otkriti čuvanu tajnu evolucije, stariji autor dr. Hiten Madhani, profesor biokemije i biofizike na Sveučilištu Kalifornija u San Franciscu i glavni istraživač Bio Zuba Chan Zuckerberg, rekao Live Science.
Skupina obično proučava C. neoformans da bolje razumijemo kako kvasac uzrokuje gljivični meningitis kod ljudi. Gljivica može zaraziti ljude slabog imunološkog sustava i uzrokuje oko 20% svih smrti povezanih s HIV / AIDS-om, navodi se u izjavi iz UCSF-a. Madhani i njegovi kolege provode dane kopajući po genetskom kodu C. neoformans, tražeći kritične gene koji pomažu kvasac da napadne ljudske stanice. No tim se iznenadio kad su se pojavila izvješća koja sugeriraju da genetski materijal dolazi ukrašen metilnim skupinama.
"Kad smo saznali imala metilaciju DNK ... Mislila sam, moramo to pogledati, ne znajući uopće što ćemo pronaći ", rekla je Madhani. Kod kralježnjaka i biljaka stanice dodaju metilne skupine u DNA uz pomoć dva enzima. Prva, nazvana "de novo metiltransferaza", naliježe metilne skupine na nenasvijetljene gene. Enzim papriča svaku polovicu vrha DNA u obliku spirale s istim uzorkom metilnih skupina, stvarajući simetričan dizajn. Tijekom diobe stanica, dvostruka spirala se odmotava i stvara dvije nove nizove DNA iz odgovarajućih polovica. U ovom trenutku, enzim pod nazivom "održavajuća metiltransferaza" upada kako bi kopirao sve metilne skupine iz prvobitnog lanca na novoizgrađenu polovicu. Madhani i njegovi kolege gledali su u postojeća evolucijska stabla kako bi pronašli povijest toga C. neoformans vremenom i otkrio je da je tijekom krednog razdoblja predak kvasca imao oba enzima potrebna za metilaciju DNA. Ali negdje duž crte, C. neoformans izgubila gen potreban za stvaranje de novo metiltransferaze. Bez enzima organizam više nije mogao dodavati nove metilne skupine svojoj DNK - mogao je kopirati samo postojeće metilne skupine koristeći enzim za održavanje. Teoretski, čak i radeći sam, enzim za održavanje mogao bi DNK držati u metilnim skupinama neograničeno - ako bi svaki put mogao stvoriti savršenu kopiju. U stvarnosti, enzim čini greške i gubi trag metilnih skupina svaki put kada se stanica podijeli, otkrio je tim. Kada se uzgaja u petrijevoj posudi, C. neoformans stanice su povremeno dobivale nove metilne skupine slučajnim slučajem, slično kao što nastaju slučajne mutacije u DNK. Međutim, stanice su izgubile metilne skupine oko 20 puta brže nego što su mogle steći nove. Za otprilike 7.500 generacija svaka posljednja metilna skupina nestala bi, a održavajući enzim više se nije kopirao, procijenio je tim. S obzirom na brzinu kojom C. neoformans množeći, kvasac je trebao izgubiti sve svoje metilne skupine u roku od oko 130 godina. Umjesto toga, zadržala je epigenetske izmjene desetinama milijuna godina. "Budući da je stopa gubitka veća od stope dobitka, sustav bi s vremenom polako gubio metilaciju da ne postoji mehanizam koji bi ga zadržao", rekao je Madhani. Taj je mehanizam prirodna selekcija, rekao je. Drugim riječima, iako C. neoformans dobivao je nove metilne skupine mnogo sporije nego što ih je gubio, metilacija je dramatično povećala "kondiciju" organizma, što je značilo da može nadmetati pojedince s manje metilacije. "Fit" pojedinci prevladavali su nad onima s manje metilnih skupina, pa je tako razina metilacije ostala viša tijekom milijuna godina. Ali kakvu bi evolucijsku prednost mogle ponuditi ove metilne skupine C. neoformans? Pa, oni bi mogli zaštititi genom kvasca od potencijalno smrtonosnog oštećenja, rekao je Madhani. Transposoni, također poznati kao "skakajući geni", skakuću oko genoma na ćud i često se ubacuju na vrlo neugodna mjesta. Primjerice, transposon može skočiti u središte gena potrebnog za preživljavanje stanica; ta ćelija može neispravno raditi ili umrijeti. Na svu sreću, metilne skupine mogu se dočepati na transponsu i na mjestu ih zaključati. Možda je to tako C. neoformans održava određenu razinu metilacije DNA kako bi transpozoni bili u kontroli, rekao je Madhani. "Nijedno pojedinačno mjesto nije posebno važno, ali ukupna gustoća metilacije transpozona odabrana je za" tijekom evolucijskih vremenskih razmaka ", dodao je. "Ista je stvar vjerovatno u našim genima." Mnoge misterije i dalje okružuju metilaciju DNA C. neoformans, Osim kopiranja metilnih skupina između DNA lanaca, čini se da je održavanje metiltransferaze važno kada je u pitanju kako kvasac izaziva infekcije kod ljudi, pokazalo je Madhanijevo istraživanje iz 2008. godine. Bez enzima netaknutog, organizam se ne može učinkovito ukloniti u stanice. "Nemamo pojma zašto je to potrebno za učinkovitu infekciju", rekao je Madhani. Enzim također zahtijeva velike količine kemijske energije da bi funkcionirao i samo kopira metilne skupine na praznu polovicu repliciranih vlakana DNA. Za usporedbu, ekvivalentni enzim u drugim organizmima ne zahtijeva dodatnu energiju da bi djelovao, a ponekad i interakciju s golom DNK, bez bilo koje metilne skupine, navodi se u izvješću objavljenom na poslužitelju pretprinta bioRxiv. Daljnja će istraživanja otkriti kako točno metilacija funkcionira C. neoformansi pojavljuje li se ovaj novi oblik evolucije u drugim organizmima.
