Tutkijat ovat löytäneet luonnollisen valinnan muodon, joka ei riipu DNA: sta.
Evoluutio ja luonnollinen valinta tapahtuvat DNA-tasolla, kun geenit mutatoituvat ja geneettiset piirteet joko pysyvät tai menetetään ajan myötä. Mutta nyt tutkijat uskovat, että evoluutio voi tapahtua aivan eri mittakaavassa – ei leviä geenien, vaan niiden pinnalle tarttuneiden molekyylien kautta.
Nämä molekyylit, jotka tunnetaan metyyliryhminä, muuttavat DNA: n rakennetta ja voivat kytkeä geenit päälle ja pois. Muutokset tunnetaan nimellä “ epigeneettiset modifikaatiot '', mikä tarkoittaa, että ne näkyvät genomin ylä- tai yläpuolella. Monissa organismeissa DNA on täynnä metyyliryhmiä, mutta olennot, kuten hedelmäkärpäset ja pyöreät matot, ovat menettäneet tarvitsemansa geenit.
Toinen organismi, hiiva Cryptococcus neoformans, menetti myös metyloitumisen avaingeenit joskus liitukaudella, noin 50-150 miljoonaa vuotta sitten. Mutta on huomionarvoista, että nykyisessä muodossaan sienen genomissa on edelleen metyyliryhmiä. Nyt Cell-lehdessä 16. tammikuuta julkaistun teoreettisen tutkimuksen mukaan tutkijat ovat voineet hypoteesoida, että C. neoformans onnistui ylläpitämään epigeneettisiä muutoksia kymmenien miljoonien vuosien ajan uuden evoluutiotavan ansiosta.
“Emme odottaneet evoluution salaisuuden paljastavan”, sanoo vanhempi kirjailija Dr.Hiten Madhani, biokemian ja biofysiikan professori Kalifornian yliopistossa San Franciscossa.
Tutkijat tutkivat C. neoformaneja ymmärtääkseen paremmin, kuinka hiiva aiheuttaa sieni-aivokalvontulehdusta ihmisissä. UCSF: n mukaan sieni tartuttaa ihmisiä, joilla on heikko immuunijärjestelmä, ja on vastuussa noin 20 prosentista kaikista HIV / AIDS-kuolemista. Madhani ja hänen kollegansa kaivavat päivänsä läpi C. neoformansin geneettisen koodin läpi etsimällä kriittisiä geenejä, jotka auttavat hiivaa pääsemään ihmissoluihin. Mutta joukkue oli yllättynyt, kun raportit ilmestyivät, että geneettinen materiaali oli koristeltu metyyliryhmillä.
'Kun saimme tietää, että [C. neoformaanit] DNA: n metylaatio … Luulin, että meidän pitäisi tarkastella tätä edes tietämättä mitä löydämme '', Madhani sanoi.
Selkärankaisissa ja kasveissa solut lisäävät metyyliryhmiä DNA: han kahta entsyymiä käyttäen. Ensimmäinen, nimeltään de novo -metyylitransferaasi, kiinnittää metyyliryhmät tahrattomiin geeneihin. Entsyymi värjää spiraalisen DNA-juosteen molemmat puolet samalla metyyliryhmäkuviolla luomalla symmetrisen mallin. Solunjakautumisen aikana kaksoiskierre avautuu ja rakentaa kaksi uutta DNA-säiettä vastaavista puoliskoista. Tässä vaiheessa entsyymi, jota kutsutaan ylläpitometyylitransferaasiksi, alkaa kopioida kaikki metyyliryhmät alkuperäisestä ketjusta vasta rakennettuun puolikkaaseen.
Madhani ja hänen kollegansa tutkivat olemassa olevia evoluutiopuita C. neoformansin historian jäljittämiseksi ajan myötä ja havaitsivat, että hiivan esi-isällä oli molemmat entsyymit, jotka olivat välttämättömiä DNA-metyloinnille liitukauden aikana. Mutta jostain C. neoformans menetti de novo -metyylitransferaasin valmistamiseen tarvittavan geenin. Ilman entsyymiä keho ei voinut enää lisätä uusia metyyliryhmiä DNA: hunsa – se pystyi kopioimaan vain olemassa olevia metyyliryhmiä.
Teoriassa jopa yksin työskentelemällä ylläpitoentsyymi voisi pitää DNA: ta metyyliryhmissä loputtomiin – jos se pystyy tekemään täydellisen kopion joka kerta.
Itse asiassa entsyymi tekee virheitä ja menettää metyyliryhmiä aina, kun solu jakautuu, ryhmä löysi. Petri-maljalla kasvatettuna C. neoformans-solut hankkivat toisinaan vahingossa uusia metyyliryhmiä, samalla tavalla kuin satunnaiset mutaatiot tapahtuvat DNA: ssa. Solut menettivät metyyliryhmiä kuitenkin noin 20 kertaa nopeammin kuin voisivat saada uusia.
Joukkueen arvion mukaan jokainen viimeinen metyyliryhmä katoaa noin 7500 sukupolven yli, eikä entsyymille jää jäljelle mitään jäljentämistä. Ottaen huomioon C. neoformansin lisääntymisnopeuden hiivan olisi pitänyt menettää kaikki metyyliryhmänsä noin 130 vuoden kuluessa. Sen sijaan hän säilytti epigeneettiset muokkaukset kymmeniä miljoonia vuosia.
Monet mysteerit ympäröivät edelleen DNA: n metylaatiota C. neoformansissa. Sen lisäksi, että metyyliryhmät kopioidaan DNA-säikeiden välillä, ylläpitävä metyylitransferaasi näyttää olevan tärkeä, kun on kyse siitä, miten hiiva aiheuttaa infektioita ihmisillä, Madhanin vuoden 2008 tutkimuksen mukaan. Ilman kokonaista entsyymiä keho ei pääse soluihin yhtä tehokkaasti.
“Meillä ei ole aavistustakaan, miksi se on tarpeen tehokkaan tartunnan saamiseksi”, Madhani sanoi.
Entsyymi vaatii myös paljon kemiallista energiaa toimiakseen ja kopioi vain metyyliryhmät replikoituneiden DNA-säikeiden puhtaaseen puolikkaaseen. Vertailun vuoksi vastaava entsyymi muissa organismeissa ei vaadi lisäenergiaa toimiakseen ja on joskus vuorovaikutuksessa paljaan DNA: n kanssa, jossa ei ole metyyliryhmiä, bioRxiv-esipainopalvelimella julkaistun raportin mukaan.
Lisätutkimukset osoittavat, kuinka metylaatio toimii C. neoformansissa ja esiintyykö tämä uusi evoluution muoto muissa organismeissa.
