Evolúcia a prirodzený výber sa uskutočňujú na úrovni DNA, pretože gény mutujú a genetické vlastnosti sa časom buď prilepia alebo sa stratia. Vedci si však myslia, že k evolúcii môže dôjsť v úplne inom meradle - odovzdávané nie génmi, ale molekulami prilepenými na ich povrchy.
Tieto molekuly, známe ako metylové skupiny, menia štruktúru DNA a môžu zapnúť a vypnúť gény. Zmeny sú známe ako „epigenetické modifikácie“, čo znamená, že sa objavujú „nad“ alebo „nad“ genómom. Mnoho organizmov, vrátane ľudí, má DNA posiatych metylovými skupinami, ale zvieratá ako ovocné muchy a škrkavky stratili potrebné gény, aby tak urobili v priebehu evolučného času.
Ďalší organizmus, kvasinky Cryptococcus neoformans, tiež stratili kľúčové gény pre metyláciu niekedy počas kriedového obdobia, asi pred 50 až 150 miliónmi rokov. Je však pozoruhodné, že v súčasnej podobe má huba stále vo svojom genóme metylové skupiny. Vedci to teraz teoretizujú C. neoformans bol schopný zavesiť sa na epigenetických úpravách po desiatky miliónov rokov, vďaka novo objavenému spôsobu vývoja, podľa štúdie uverejnenej 16. januára v časopise Cell.
Vedci, ktorí študovali za touto štúdiou, neočakávali odhalenie dobre udržiavaného tajomstva evolúcie, hlavného autora Dr. Hiten Madhaniho, profesora biochémie a biofyziky na Kalifornskej univerzite v San Franciscu a hlavného výskumného pracovníka v Chan Zuckerberg Biohub, povedal Live Science.
Skupina zvyčajne študuje C. neoformans lepšie porozumieť tomu, ako kvasinky spôsobujú plesňovú meningitídu u ľudí. Huba má podľa správy UCSF tendenciu infikovať ľudí so slabým imunitným systémom a spôsobuje asi 20% všetkých úmrtí súvisiacich s HIV / AIDS. Madhani a jeho kolegovia trávia dni kopaním genetického kódu C. neoformans, hľadanie kritických génov, ktoré pomáhajú kvasinkám vpadnúť do ľudských buniek. Tím bol však prekvapený, keď sa objavili správy naznačujúce, že genetický materiál je ozdobený metylovými skupinami.
„Keď sme sa to naučili mal metyláciu DNA ... myslel som si, musíme sa na to pozrieť a vôbec nevieme, čo by sme našli, “povedala Madhani. U stavovcov a rastlín pridávajú bunky do DNA metylové skupiny pomocou dvoch enzýmov. Prvá, nazývaná „de novo metyltransferáza“, nalepuje metylové skupiny na neanorované gény. Enzým papriuje každú polovicu reťazca DNA v tvare špirály s rovnakým vzorom metylových skupín, čím vytvára symetrický dizajn. Počas delenia buniek sa dvojitá špirála rozvinie a zo zodpovedajúcich polovíc vytvorí dva nové vlákna DNA. V tomto okamihu zavádza enzým nazývaný „udržiavacia metyltransferáza“, aby skopíroval všetky metylové skupiny z pôvodného reťazca na novovytvorenú polovicu. Madhani a jeho kolegovia sa pozerali na existujúce vývojové stromy, aby vysledovali históriu C. neoformans postupom času a zistili, že v kriedovom období mali kvasinkové predky oba enzýmy potrebné na metyláciu DNA. Ale niekde pozdĺž línie, C. neoformans stratil gén potrebný na výrobu de novo metyltransferázy. Bez tohto enzýmu by organizmus už nemohol do svojej DNA pridávať nové metylové skupiny - mohol by iba kopírovať existujúce metylové skupiny pomocou svojho udržiavacieho enzýmu. Teoreticky, dokonca aj keď je to samo o sebe, by udržiavací enzým mohol udržať DNA pokrytú v metylových skupinách na neurčito - ak by mohol kedykoľvek vytvoriť dokonalú kópiu. V skutočnosti tento enzým robí chyby a stráca prehľad o metylových skupinách zakaždým, keď sa bunka rozdelí. Keď je chované v Petriho miske, C. neoformans bunky náhodne získali nové metylové skupiny náhodnou náhodou, podobne ako v DNA vznikajú náhodné mutácie. Bunky však stratili metylové skupiny asi 20-krát rýchlejšie, ako by mohli získať nové. Podľa odhadov tím zmizol v priebehu asi 7 500 generácií, keď zmizla každá posledná metylová skupina. Vzhľadom na rýchlosť, akou C. neoformans po vynásobení by droždie malo stratiť všetky svoje metylové skupiny do približne 130 rokov. Namiesto toho si ponechal epigenetické úpravy desiatky miliónov rokov. „Pretože miera straty je vyššia ako miera zisku, systém by postupne stratil metyláciu, ak by neexistoval mechanizmus, ktorý by ju tam udržal,“ povedal Madhani. Tento mechanizmus je prirodzeným výberom. Inými slovami, aj keď C. neoformans Získal nové metylové skupiny omnoho pomalšie ako ich stratil, metylácia dramaticky zvýšila „telesnú kondíciu“ organizmu, čo znamenalo, že by mohlo jednotlivcov prekonať s menšou metyláciou. „Fit“ jednotlivci prevládali nad tými, ktorí majú menej metylových skupín, a preto úroveň metylácie zostala po milióny rokov vyššia. Aká evolučná výhoda však tieto metylové skupiny môžu ponúknuť C. neoformans? Mohli by ochrániť genóm kvasnice pred potenciálne smrteľným poškodením, povedala Madhani. Transpozóny, známe tiež ako „gény na skákanie“, poskakujú okolo genómu a často sa vkladajú na veľmi nepohodlné miesta. Napríklad transpozón by mohol skočiť do stredu génu potrebného na prežitie buniek; táto bunka by mohla zlyhať alebo zomrieť. Našťastie môžu metylové skupiny chytiť transpozóny a zaistiť ich na svojom mieste. Môže to byť tak C. neoformans udržiava určitú úroveň metylácie DNA, aby udržala transpozóny pod kontrolou, uviedla Madhani. „Žiadne konkrétne miesto nie je zvlášť dôležité, ale celková hustota metylácie na transpozónoch je vybraná pre“ v evolučných časových intervaloch, dodal. „To isté platí v našich genómoch.“ Mnoho záhad stále obklopuje metyláciu DNA C. neoformans, Podľa štúdie Madhaniho z roku 2008 sa zdá, že okrem kopírovania metylových skupín medzi reťazcami DNA je dôležitá aj udržiavacia metyltransferáza, pokiaľ ide o spôsob, akým kvasinky spôsobujú infekcie u ľudí. Bez toho, aby bol enzým neporušený, nemôže organizmus preniknúť do buniek tak efektívne. „Nemáme potuchy, prečo je to potrebné pre účinnú infekciu,“ povedala Madhani. Enzým tiež vyžaduje veľké množstvo chemickej energie, aby fungoval a skopíruje iba metylové skupiny na prázdnu polovicu replikovaných reťazcov DNA. Na porovnanie, ekvivalentný enzým v iných organizmoch nevyžaduje ďalšiu energiu na fungovanie a niekedy interaguje s nahou DNA bez akýchkoľvek metylových skupín, podľa správy uverejnenej na serveri bioRxiv pre predtlačový papier. Ďalší výskum odhalí, ako presne funguje metylácia C. neoformansa či sa táto novoobjavená forma evolúcie objavuje v iných organizmoch.
