Naučnici su otkrili oblik prirodne selekcije koji je neovisan o DNK.
Evolucija i prirodna selekcija odvijaju se na nivou DNK, jer geni mutiraju, a genetske osobine ili ostaju ili se vremenom gube. Ali sada naučnici vjeruju da se evolucija može odvijati u potpuno drugačijim razmjerima – prenijeti ne kroz gene, već kroz molekule zalepljene na njihovoj površini.
Ovi molekuli, poznati kao metilne grupe, mijenjaju strukturu DNK i mogu uključivati i isključivati gene. Promjene su poznate kao „epigenetske modifikacije“, što znači da se pojavljuju „iznad“ ili „iznad“ genoma. U mnogim organizmima DNK je prošarana metilnim skupinama, ali stvorenja poput voćnih muha i glista izgubili su gene koji su im potrebni.
Drugi organizam, kvasac Cryptococcus neoformans, takođe je izgubio ključne gene za metilaciju negdje u Kredi, prije oko 50-150 miliona godina. Ali vrijedno je pažnje da u svom sadašnjem obliku gljiva još uvijek ima metilne grupe u svom genomu. Prema teorijskoj studiji objavljenoj 16. januara u časopisu Cell, naučnici su mogli pretpostaviti da je C. neoformans uspio održati epigenetske promjene desetinama miliona godina zahvaljujući novom načinu evolucije.
“Nismo očekivali da će tajna evolucije biti otkrivena”, kaže viši autor dr. Hiten Madhani, profesor biokemije i biofizike na Kalifornijskom univerzitetu u San Francisku.
Naučnici proučavaju C. neoformans kako bi bolje razumjeli kako kvasac uzrokuje gljivični meningitis kod ljudi. Prema UCSF-u, gljiva zaražava ljude sa slabim imunološkim sistemom i odgovorna je za oko 20% svih smrtnih slučajeva HIV / AIDS-a. Madhani i njegove kolege dane provode kopajući po genetskom kodu C. neoformans, tražeći kritične gene koji pomažu kvascu da uđe u ljudske ćelije. Ali tim je bio iznenađen kada su se pojavili izvještaji da je genetski materijal ukrašen metilnim skupinama.
'Kad smo saznali da [C. neoformans] Metilacija DNK … Mislio sam da ovo trebamo pogledati, a da ni sami ne znamo šta ćemo pronaći ”, rekao je Madhani.
Kod kičmenjaka i biljaka, ćelije dodaju metilne grupe u DNK pomoću dva enzima. Prva, nazvana de novo metiltransferaza, veže metilne grupe na neobojene gene. Enzim boji svaku polovicu spiralnog lanca DNA istim uzorkom metilne grupe, stvarajući simetrični dizajn. Tokom diobe ćelija, dvostruka zavojnica se razvija i gradi dvije nove DNK niti iz odgovarajućih polovina. U ovom trenutku, enzim nazvan „metiltransferaza za održavanje“ započinje kopiranje svih metilnih grupa iz izvornog lanca u novoizgrađenu polovinu.
Madhani i kolege proučavali su postojeća evolucijska stabla kako bi pratili istoriju C. neoformans tokom vremena i otkrili da je predak kvasca imao oba enzima neophodna za metilaciju DNK u razdoblju Krede. Ali negdje je C. neoformans izgubio gen potreban za stvaranje de novo metiltransferaze. Bez enzima, tijelo više nije moglo dodavati nove metilne grupe u svoju DNK – moglo je samo kopirati postojeće metilne grupe.
U teoriji, čak i radeći sam, enzim za održavanje mogao bi zadržati DNK u metilnim grupama na neodređeno vrijeme – ako bi svaki put mogao napraviti savršenu kopiju.
U stvari, enzim griješi i gubi metilne skupine svaki put kad se stanica podijeli, utvrdio je tim. Kada se uzgajaju u Petrijevoj zdjelici, stanice C. neoformans ponekad slučajno steknu nove metilne grupe, slično onome kako se u DNK javljaju slučajne mutacije. Međutim, ćelije su izgubile metilne grupe oko 20 puta brže nego što su mogle dobiti nove.
Tim procjenjuje da će u roku od oko 7.500 generacija svaka posljednja metilna skupina nestati, a enzimu neće ostati ništa za kopiranje. S obzirom na brzinu razmnožavanja C. neoformans, kvasac je trebao izgubiti sve svoje metilne skupine u roku od oko 130 godina. Umjesto toga, zadržao je epigenetske izmjene desetinama miliona godina.
Mnoge misterije još uvijek okružuju metilaciju DNK u C. neoformans. Pored kopiranja metilnih grupa između DNA lanaca, čini se da je održavanje metiltransferaze važno i kada je riječ o tome kako kvasac uzrokuje infekcije kod ljudi, prema Madhanijevoj studiji iz 2008. godine. Bez celog enzima, telo ne može prodreti u ćelije tako efikasno.
“Nemamo pojma zašto je to neophodno za efikasnu infekciju,” rekao je Madhani.
Enzimu je takođe potrebno puno hemijske energije da bi funkcionisao i kopira samo metilne grupe u čistu polovicu repliciranih DNA lanaca. U usporedbi s tim, ekvivalentni enzim u drugim organizmima ne zahtijeva dodatnu energiju da bi funkcionirao i ponekad stupa u interakciju s golom DNK lišenom bilo kakvih metilnih grupa, navodi se u izvještaju objavljenom na serveru za pretprint bioRxiv.
Daljnja istraživanja će pokazati kako metilacija djeluje kod C. neoformans i da li se ovaj novi oblik evolucije pojavljuje u drugim organizmima.
