Еволюція та природний відбір відбуваються на рівні ДНК, оскільки мути мутують, а генетичні ознаки або тримаються навколо, або з часом втрачаються. Але зараз, вчені вважають, еволюція може відбуватися в зовсім іншому масштабі - передається не через гени, а через молекули, приклеєні до їх поверхні.
Ці молекули, відомі як метильні групи, змінюють структуру ДНК і можуть вмикати і вимикати гени. Зміни відомі як "епігенетичні модифікації", тобто вони з'являються "вище" або "зверху" геному. У багатьох організмів, включаючи людей, є ДНК, усіяна метильними групами, але такі тварини, як фруктові мухи та круглі черви, втратили необхідні гени для цього в еволюційний час.
Інший організм, дріжджі Cryptococcus neoformans, також втратили ключові гени для метилювання десь протягом крейдового періоду, приблизно від 50 до 150 мільйонів років тому. Але примітно, що в своєму нинішньому вигляді гриб все ще має метильні групи по своєму геному. Зараз вчені це теоретизують C. neoformans вдалося зачепитися за епігенетичні зміни протягом десятків мільйонів років завдяки новому знайденому режиму еволюції, згідно з дослідженням, опублікованим 16 січня в журналі Cell.
Дослідники, які стояли за дослідженням, не розраховували розкрити добре збережену таємницю еволюції, старший автор доктор Хітен Мадхані, професор біохімії та біофізики Каліфорнійського університету в Сан-Франциско та головний дослідник біогуба Чана Цукерберга, розповів Live Science.
Група, як правило, навчається C. neoformans щоб краще зрозуміти, як дріжджі викликають грибковий менінгіт у людини. Грибок, як правило, заражає людей зі слабкою імунною системою та спричиняє близько 20% усіх смертей, пов’язаних із ВІЛ / СНІДом, йдеться у повідомленні UCSF. Мадхані та його колеги проводять свої дні, копаючи генетичний код Росії C. neoformans, шукаючи критичні гени, які допомагають дріжджам вторгнутись у клітини людини. Але команда була здивована, коли з’явилися повідомлення про те, що генетичний матеріал прикрашений метильними групами.
"Коли ми дізналися було метилювання ДНК ... Я думав, що ми повинні на це дивитися, не знаючи взагалі, що ми знайдемо ", - сказала Медхані. У хребетних та рослин клітини додають метильні групи до ДНК за допомогою двох ферментів. Перша, що називається "новою метилтрансферазою", наклеює метильні групи на неприховані гени. Фермент перцює кожну половину спіралеподібної ланцюга ДНК з однаковим малюнком метильних груп, створюючи симетричну конструкцію. Під час поділу клітин подвійна спіраль розгортається і створює дві нові ланцюги ДНК із відповідних половинок. У цей момент фермент, який називається "підтримуюча метилтрансфераза", пронизує, щоб скопіювати всі метильні групи з початкової ланцюга на щойно збудовану половину. Мадхані та його колеги подивилися на існуючі еволюційні дерева, щоб простежити історію C. neoformans через час, і виявило, що в крейдовий період предки дріжджів мали обидва ферменти, необхідні для метилювання ДНК. Але десь уздовж лінії, C. neoformans втратили ген, необхідний для отримання de novo метилтрансферази. Без ферменту організм не міг більше додавати нові метильні групи до своєї ДНК - він міг лише копіювати існуючі метильні групи за допомогою підтримуючого ферменту. Теоретично, навіть працюючи поодинці, підтримуючий фермент міг би тримати ДНК вкриті метильними групами нескінченно довго - якщо він міг створювати ідеальну копію кожного разу. Насправді, фермент робить помилки і втрачає слід метильних груп щоразу, коли клітина ділиться, виявила команда. Коли вирощують у чашці Петрі, C. neoformans клітини час від часу отримували нові метильні групи випадковим чином, подібно до того, як виникають випадкові мутації в ДНК. Однак клітини втратили метильні групи приблизно в 20 разів швидше, ніж могли отримати нові. Протягом приблизно 7500 поколінь кожна остання метильна група зникне, не залишаючи підтримуючому ферменту нічого копіювати, підрахувала команда. Враховуючи швидкість, з якою C. neoformans розмножуючись, дріжджі повинні були втратити всі свої метильні групи протягом приблизно 130 років. Натомість він зберігав епігенетичні зміни десятки мільйонів років. "Оскільки показник втрат вищий, ніж коефіцієнт виграшу, система з часом повільно втрачає метилювання, якби не існувало механізму його утримання", - сказав Мадхані. Цей механізм є природним відбором, сказав він. Іншими словами, хоча C. neoformans набирала нові метильні групи набагато повільніше, ніж втрачала їх, метилювання різко підвищувало «придатність організму», що означало, що воно може перемогти людей з меншим метилюванням. "Придатні" особи переважали над людьми з меншою кількістю метильних груп, і, таким чином, рівень метилювання залишався вищим протягом мільйонів років. Але яку еволюційну перевагу можуть запропонувати ці метилові групи C. neoformans? Ну, вони можуть захистити геном дріжджів від потенційно смертельного пошкодження, сказав Мадхані. Транспозони, також відомі як "стрибаючі гени", стрибають навколо геному на примху і часто вставляють себе в дуже незручних місцях. Наприклад, транспозон може стрибнути в центр гена, необхідного для виживання клітин; ця клітина може несправно працювати або загинути. На щастя, метилові групи можуть схопитись на транспозони і зафіксувати їх на місці. Це може бути саме так C. neoformans Медхані сказав, що підтримується певний рівень метилювання ДНК, щоб контролювати транспозони. "Жоден окремий сайт не є особливо важливим, але загальна щільність метилювання на транспозонах вибирається для" протягом еволюційних часових масштабів, додав він. "Те ж саме, мабуть, вірно і в наших геномах." Багато таємниць все ще оточують метилювання ДНК в C. neoformans. Крім копіювання метильних груп між нитками ДНК, здається, що важлива підтримка метилтрансферази, коли мова йде про те, як дріжджі спричиняють інфекції у людини, згідно з дослідженням Мадхані в 2008 році. Без ензиму неушкодженим організм не може так ефективно втручатися в клітини. "Ми не маємо уявлення, чому це потрібно для ефективного зараження", - сказав Мадхані. Для функціонування ферменту також потрібна велика кількість хімічної енергії, і лише копіюються метильні групи на порожню половину реплікуваних ниток ДНК. Для порівняння, еквівалентний фермент в інших організмах не потребує додаткової енергії для функціонування і іноді взаємодіє з голою ДНК, позбавленою будь-яких метильних груп, згідно з повідомленням, розміщеним на сервері переддруку bioRxiv. Подальші дослідження виявлять, як саме працює метилювання C. neoformansі чи з’являється ця нова знайдена форма еволюції в інших організмах.
