Evolution og naturlig selektion finder sted på DNA-niveau, da gener muteres og genetiske egenskaber enten klistres rundt eller går tabt over tid. Men nu tror forskere, at evolution kan finde sted i en helt anden skala - overført ikke gennem gener, men gennem molekyler, der sidder fast på deres overflader.
Disse molekyler, kendt som methylgrupper, ændrer strukturen i DNA og kan slå gener til og fra. Ændringerne er kendt som "epigenetiske modifikationer", hvilket betyder, at de vises "ovenfor" eller "oven på" genomet. Mange organismer, inklusive mennesker, har DNA prikket med methylgrupper, men væsner som frugtfluer og rundorm mistede de krævede gener til at gøre det i løbet af evolutionær tid.
En anden organisme, gæren Cryptococcus neoformans, mistede også nøglegener til methylering engang i kridttiden, for ca. 50 til 150 millioner år siden. Men bemærkelsesværdigt, i sin nuværende form, har svampen stadig methylgrupper på sit genom. Nu teoretiserer forskere det C. neoformans var i stand til at hænge på epigenetiske redigeringer i titusinder af millioner år, takket være en nyvundet udviklingsmåde, ifølge en undersøgelse, der blev offentliggjort 16. januar i tidsskriftet Cell.
Forskerne bag undersøgelsen forventede ikke at afdække en velholdt evolution af hemmeligheden, seniorforfatter Dr. Hiten Madhani, professor i biokemi og biofysik ved University of California, San Francisco, og hovedundersøger ved Chan Zuckerberg Biohub, fortalte Live Science.
Gruppen studerer typisk C. neoformans for bedre at forstå, hvordan gæren forårsager svampen meningitis hos mennesker. Svampen har en tendens til at inficere mennesker med svagt immunsystem og forårsager ca. 20% af alle hiv / aids-relaterede dødsfald, ifølge en erklæring fra UCSF. Madhani og hans kolleger bruger deres dage på at grave gennem den genetiske kode for C. neoformans, der søger efter kritiske gener, der hjælper gæren med at invadere humane celler. Men holdet blev overrasket, da der kom rapporter, der antydede, at det genetiske materiale kommer prydet med methylgrupper.
”Da vi lærte det havde DNA-methylering ... Jeg tænkte, vi må se på dette og overhovedet ikke vide, hvad vi ville finde, ”sagde Madhani. I hvirveldyr og planter tilføjer celler methylgrupper til DNA ved hjælp af to enzymer. Den første, kaldet "de novo methyltransferase", sætter methylgrupper på uporned gener. Enzympeberfugterne hver halvdel af den spiralformede DNA-streng med det samme mønster af methylgrupper, hvilket skaber et symmetrisk design. Under celledeling springer den dobbelte helix ud og bygger to nye DNA-strenge fra de matchende halvdele. På dette tidspunkt svinger et enzym kaldet "vedligeholdelsesmethyltransferase" ind for at kopiere alle methylgrupper fra den oprindelige streng til den nybyggede halvdel. Madhani og hans kolleger kiggede på eksisterende evolutionære træer for at spore historien om C. neoformans gennem tiden og fandt, at gærens forfader i kridperioden begge havde enzymer krævet til DNA-methylering. Men et sted langs linjen, C. neoformans mistede det nødvendige gen til at fremstille de novo methyltransferase. Uden enzymet kunne organismen ikke længere tilføje nye methylgrupper til dens DNA - den kunne kun kopiere eksisterende methylgrupper ved hjælp af dets vedligeholdelsesenzym. I teorien, selv ved at arbejde alene, kunne vedligeholdelsesenzymet holde DNA dækket i methylgrupper på ubestemt tid - hvis det kunne producere en perfekt kopi hver eneste gang. I virkeligheden begår enzymet fejl og mister styr på methylgrupper hver gang cellen deler sig, fundet holdet. Når den opdrages i en petriskål, C. neoformans celler fik lejlighedsvis nye methylgrupper tilfældigt, svarende til hvordan tilfældige mutationer opstår i DNA. Cellerne mistede imidlertid methylgrupper ca. 20 gange hurtigere, end de kunne få nye. I løbet af cirka 7500 generationer ville hver sidste methylgruppe forsvinde og efterlade vedligeholdelsesenzymet ikke at kopiere, vurderede teamet. I betragtning af den hastighed, hvormed C. neoformans multipliserer, skulle gæren have mistet alle sine methylgrupper inden for ca. 130 år. I stedet bevarede den de epigenetiske redigeringer i titusinder af millioner af år. "Fordi tabet er højere end gevinstfrekvensen, ville systemet langsomt miste methylering over tid, hvis der ikke var en mekanisme til at holde det der," sagde Madhani. Denne mekanisme er naturlig valg, sagde han. Med andre ord, selvom C. neoformans fik nye methylgrupper meget langsommere, end det tabte dem, methylering øgede dramatisk organismenes "egnethed", hvilket betød, at den kunne udkonkurrere individer med mindre methylering. "Fit" individer sejrede over dem med færre methylgrupper, og således forblev methyleringsniveauerne højere over millioner af år. Men hvilken evolutionær fordel kunne disse methylgrupper tilbyde C. neoformans? Nå, de kan beskytte gærens genom mod potentielt dødelig skade, sagde Madhani. Transposoner, også kendt som "hoppende gener", springer rundt i genomet ved indfald og indsætter sig ofte på meget upraktiske steder. For eksempel kan et transposon springe ind i midten af et gen, der kræves til celleoverlevelse; at cellen kan fungere eller dø. Heldigvis kan methylgrupper gribe fat i transposoner og låse dem på plads. Det kan være det C. neoformans opretholder et vist niveau af DNA-methylering for at holde transposoner i skak, sagde Madhani. "Intet individuelt sted er særlig vigtigt, men den samlede massefylde af methylering på transposoner er valgt til" i forhold til evolutionære tidsskalaer, tilføjede han. "Den samme ting er sandsynligvis sandt i vores genomer." Mange mysterier omgiver stadig DNA-methylering i C. neoformans. Udover at kopiere methylgrupper mellem DNA-strenge, synes vedligeholdelsesmetyltransferase at være vigtig, når det kommer til, hvordan gæren forårsager infektioner hos mennesker, ifølge en 2008-undersøgelse fra Madhani. Uden enzymet intakt kan organismen ikke hacke sig så effektivt i cellerne. "Vi har ingen idé om, hvorfor det kræves for effektiv infektion," sagde Madhani. Enzymet kræver også store mængder kemisk energi for at fungere og kopierer kun methylgrupper til den tomme halvdel af replikerede DNA-strenge. Til sammenligning kræver det ækvivalente enzym i andre organismer ikke ekstra energi for at fungere og interagerer undertiden med nøgen DNA, uden nogen methylgrupper, ifølge en rapport, der er lagt ud på fortryksserveren bioRxiv. Yderligere forskning vil afsløre nøjagtigt, hvordan methylering fungerer i C. neoformans, og om denne nyfundne udviklingsform forekommer i andre organismer.
