Учените са открили форма на естествен подбор, която не зависи от ДНК.
Еволюцията и естественият подбор се извършват на ниво ДНК, тъй като гените мутират и генетичните черти или остават, или се губят с течение на времето. Но сега учените вярват, че еволюцията може да се случи в съвсем различен мащаб – не се предава чрез гени, а чрез молекули, залепени на повърхността им.
Тези молекули, известни като метилови групи, променят структурата на ДНК и могат да включват и изключват гени. Промените са известни като „епигенетични модификации“, което означава, че се появяват „над“ или „над“ генома. В много организми ДНК е осеяна с метилови групи, но същества като плодови мухи и кръгли червеи са загубили гените, от които се нуждаят.
Друг организъм, дрождите Cryptococcus neoformans, също е загубил ключови гени за метилиране някъде в Креда, преди около 50-150 милиона години. Но трябва да се отбележи, че в сегашната си форма гъбата все още има метилови групи в генома си. Сега, според теоретично проучване, публикувано на 16 януари в списание Cell, учените са успели да предположат, че C. neoformans е успял да поддържа епигенетични промени в продължение на десетки милиони години благодарение на нов начин на еволюция.
„Не очаквахме тайната на еволюцията да бъде разкрита“, казва старши автор д-р Хитен Мадани, професор по биохимия и биофизика в Калифорнийския университет в Сан Франциско.
Учените изучават C. neoformans, за да разберат по-добре как дрождите причиняват гъбичен менингит при хората. Според UCSF гъбичките заразяват хора със слаба имунна система и са отговорни за около 20% от всички смъртни случаи от ХИВ / СПИН. Мадани и колегите му прекарват дните си в ровене из генетичния код на C. neoformans, търсейки критичните гени, които помагат на дрождите да влязат в човешките клетки. Но екипът беше изненадан, когато се появиха съобщения, че генетичният материал е украсен с метилови групи.
„Когато разбрахме, че [C. neoformans] ДНК метилиране … Мислех, че трябва да разгледаме това, без дори да знаем какво ще открием “, каза Мадхани.
При гръбначните животни и растенията клетките добавят метилови групи към ДНК с помощта на два ензима. Първият, наречен „de novo метилтрансфераза“, свързва метиловите групи към неоцветените гени. Ензимът оцветява всяка половина от спиралната верига на ДНК със същия модел на метилова група, създавайки симетричен дизайн. По време на клетъчното делене двойната спирала се разгръща и изгражда две нови ДНК вериги от съответните половини. В този момент ензим, наречен „поддържаща метилтрансфераза“, започва да копира всички метилови групи от първоначалната верига в новоизградената половина.
Мадхани и колеги са изследвали съществуващите еволюционни дървета, за да проследят историята на C. neoformans с течение на времето, и са установили, че предшественикът на дрождите е имал и двата ензима, необходими за метилирането на ДНК в Кредовия период. Но някъде C. neoformans загуби гена, необходим за производството на ново метилтрансфераза. Без ензима тялото вече не може да добавя нови метилови групи към своята ДНК – може само да копира съществуващите метилови групи.
На теория, дори да работи самостоятелно, поддържащ ензим би могъл да задържа ДНК в метилови групи за неопределено време – ако би могъл да прави перфектно копие всеки път.
Всъщност ензимът прави грешки и губи метилови групи всеки път, когато клетката се дели, установи екипът. Когато се отглеждат в чаша на Петри, клетките на C. neoformans понякога случайно придобиват нови метилови групи, подобно на това как се случват случайни мутации в ДНК. Клетките обаче губят метиловите групи около 20 пъти по-бързо, отколкото биха могли да получат нови.
Екипът изчислява, че в рамките на около 7500 поколения всяка последна метилова група ще изчезне, без да остане нищо за ензима да се копира. Като се има предвид скоростта, с която C. neoformans се размножава, маята е трябвало да загуби всичките си метилови групи в рамките на около 130 години. Вместо това той запазва епигенетичните редакции в продължение на десетки милиони години.
Много загадки все още обграждат метилирането на ДНК в C. neoformans. В допълнение към копирането на метиловите групи между ДНК веригите, поддържащата метилтрансфераза изглежда важна, когато става въпрос за това как дрождите причиняват инфекции при хората, според изследването на Madhani от 2008 г. Без цял ензим тялото не може да проникне в клетките толкова ефективно.
“Нямаме представа защо това е необходимо за ефективна инфекция”, каза Мадхани.
Ензимът също така изисква голямо количество химическа енергия, за да функционира и копира само метиловите групи в чистата половина на репликираните ДНК вериги. За сравнение, еквивалентният ензим в други организми не изисква допълнителна енергия, за да функционира и понякога взаимодейства с гола ДНК, лишена от каквито и да е метилови групи, според доклад, публикуван на сървъра за препринт bioRxiv.
По-нататъшни изследвания ще покажат как действа метилирането при C. neoformans и дали тази нова форма на еволюция се появява в други организми.
