Эволюция и естественный отбор происходят на уровне ДНК, поскольку гены мутируют, а генетические признаки либо остаются, либо теряются со временем. Но теперь ученые считают, что эволюция может происходить в совершенно ином масштабе - передаваться не через гены, а через молекулы, прилипшие к их поверхности.
Эти молекулы, известные как метильные группы, изменяют структуру ДНК и могут включать и выключать гены. Изменения известны как «эпигенетические модификации», то есть они появляются «над» или «поверх» генома. У многих организмов, включая людей, ДНК усеяна метильными группами, но такие существа, как плодовые мухи и круглые черви, потеряли необходимые гены, чтобы сделать это в течение эволюционного времени.
Другой организм, дрожжи Cryptococcus neoformansтакже потерял ключевые гены для метилирования где-то в меловой период, около 50-150 миллионов лет назад. Но примечательно, что в своем нынешнем виде гриб все еще имеет метильные группы в своем геноме. Теперь ученые предполагают, что C. neoformans Согласно новому исследованию, опубликованному 16 января в журнале Cell, он смог сохранять эпигенетические правки в течение десятков миллионов лет.
Исследователи, которые стояли за исследованием, не ожидали раскрытия тайны эволюции, старший автор доктор Хитен Мадхани, профессор биохимии и биофизики в Университете Калифорнии, Сан-Франциско, и главный исследователь в биохабе Чана Цукерберга, рассказал Live Science.
Группа обычно учится C. neoformans чтобы лучше понять, как дрожжи вызывают грибковый менингит у людей. Согласно заявлению UCSF, грибок поражает людей со слабой иммунной системой и является причиной около 20% всех случаев смерти от ВИЧ / СПИДа. Мадхани и его коллеги проводят дни, копаясь в генетическом коде C. neoformansВ поисках критических генов, которые помогают дрожжам проникать в клетки человека. Но команда была удивлена, когда появились сообщения о том, что генетический материал украшен метильными группами.
«Когда мы узнали было метилирование ДНК ... Я думал, мы должны смотреть на это, даже не зная, что мы найдем ", сказал Мадхани. У позвоночных и растений клетки добавляют метильные группы к ДНК с помощью двух ферментов. Первая, называемая «de novo метилтрансфераза», прикрепляет метильные группы к неукрашенным генам. Фермент перчит каждую половину спиралевидной нити ДНК с одинаковым рисунком метильных групп, создавая симметричный дизайн. Во время деления клетки двойная спираль разворачивается и строит две новые нити ДНК из соответствующих половинок. В этот момент энзим, называемый «поддерживающей метилтрансферазой», начинает копировать все метильные группы из исходной цепи на вновь построенную половину. Мадхани и его коллеги посмотрели на существующие эволюционные деревья, чтобы проследить историю C. neoformans и обнаружил, что во время мелового периода у предка дрожжей были оба фермента, необходимые для метилирования ДНК. Но где-то вдоль линии, C. neoformans потерял ген, необходимый для создания de novo метилтрансферазы. Без фермента организм больше не мог бы добавлять новые метильные группы в свою ДНК - он мог только копировать существующие метильные группы, используя свой поддерживающий фермент. Теоретически, даже работая в одиночку, поддерживающий фермент мог сохранять ДНК в метильных группах неопределенно долго - если бы он мог производить идеальную копию каждый раз. В действительности, энзим совершает ошибки и теряет метильные группы каждый раз, когда клетка делится, обнаружила команда. Когда поднят в чашке Петри, C. neoformans клетки случайно получали новые метильные группы случайным образом, подобно тому, как случайные мутации возникают в ДНК. Однако клетки теряли метильные группы примерно в 20 раз быстрее, чем могли получить новые. По оценкам команды, в течение примерно 7500 поколений каждая последняя метильная группа исчезнет, и ферменту ничего не останется скопировать. Учитывая скорость, с которой C. neoformans умножается, дрожжи должны были потерять все свои метильные группы в течение примерно 130 лет. Вместо этого он сохранил эпигенетические правки в течение десятков миллионов лет. «Поскольку уровень потерь выше, чем коэффициент усиления, система будет постепенно терять метилирование с течением времени, если бы не было механизма для его сохранения», - сказал Мадхани. Этот механизм - естественный отбор, сказал он. Другими словами, даже если C. neoformans получал новые метильные группы гораздо медленнее, чем терял их, метилирование резко увеличивало «приспособленность» организма, что означало, что он мог вытеснить людей с меньшим количеством метилирования. «Подходящие» индивидуумы преобладали над теми, у кого меньше метильных групп, и, таким образом, уровни метилирования оставались более высокими в течение миллионов лет. Но какое эволюционное преимущество могут предложить эти метильные группы? C. neoformans? Ну, они могут защитить геном дрожжей от потенциально смертельного повреждения, сказал Мадхани. Транспозоны, также известные как «прыгающие гены», прыгают вокруг генома по своей прихоти и часто оказываются в очень неудобных местах. Например, транспозон может прыгнуть в центр гена, необходимого для выживания клеток; эта клетка может выйти из строя или погибнуть. К счастью, метильные группы могут захватывать транспозоны и блокировать их на месте. Может быть так C. neoformans Мадани сказал, что поддерживает определенный уровень метилирования ДНК, чтобы контролировать транспозоны. «Ни один отдельный сайт не является особенно важным, но общая плотность метилирования на транспозонах выбрана для» в течение эволюционных временных масштабов, добавил он. «То же самое, вероятно, верно в наших геномах». Многие загадки все еще окружают метилирование ДНК в C. neoformans, Согласно исследованию Мадхани, проведенному в 2008 году, помимо копирования метильных групп между цепями ДНК, поддерживающая метилтрансфераза, по-видимому, важна, когда речь идет о том, как дрожжи вызывают инфекции у людей. Без целого энзима организм не может так эффективно проникать в клетки. «Мы понятия не имеем, почему это необходимо для эффективного заражения», - сказал Мадхани. Фермент также требует большого количества химической энергии для функционирования и копирует только метильные группы на чистую половину реплицированных цепей ДНК. Для сравнения, эквивалентный фермент в других организмах не требует дополнительной энергии для функционирования и иногда взаимодействует с голой ДНК, лишенной каких-либо метильных групп, согласно отчету, опубликованному на сервере препринтов bioRxiv. Дальнейшие исследования покажут, как именно метилирование работает в C. neoformansи появляется ли эта новая форма эволюции у других организмов.
