Evolution und natürliche Selektion finden auf der Ebene der DNA statt, da Gene mutieren und genetische Merkmale entweder bestehen bleiben oder im Laufe der Zeit verloren gehen. Aber jetzt glauben Wissenschaftler, dass die Evolution in einem ganz anderen Maßstab stattfinden könnte - nicht durch Gene, sondern durch Moleküle, die an ihren Oberflächen haften.
Diese als Methylgruppen bekannten Moleküle verändern die Struktur der DNA und können Gene ein- und ausschalten. Die Veränderungen sind als "epigenetische Modifikationen" bekannt, was bedeutet, dass sie "über" oder "über" dem Genom erscheinen. Viele Organismen, einschließlich Menschen, haben DNA, die mit Methylgruppen übersät ist, aber Kreaturen wie Fruchtfliegen und Spulwürmer haben im Laufe der Evolutionszeit die dafür erforderlichen Gene verloren.
Ein weiterer Organismus, die Hefe Cryptococcus neoformans, verlor auch Schlüsselgene für die Methylierung irgendwann während der Kreidezeit, vor etwa 50 bis 150 Millionen Jahren. Bemerkenswerterweise hat der Pilz in seiner gegenwärtigen Form immer noch Methylgruppen im Genom. Nun, Wissenschaftler theoretisieren das C. neoformans Laut einer am 16. Januar in der Zeitschrift Cell veröffentlichten Studie konnte ich dank einer neu entdeckten Evolutionsmethode zig Millionen Jahre lang an epigenetischen Änderungen festhalten.
Die Forscher hinter der Studie hatten nicht erwartet, ein gut gehütetes Geheimnis der Evolution aufzudecken. Der leitende Autor Dr. Hiten Madhani, Professor für Biochemie und Biophysik an der University of California in San Francisco und Hauptforscher am Chan Zuckerberg Biohub. erzählte Live Science.
Die Gruppe studiert normalerweise C. neoformans um besser zu verstehen, wie die Hefe beim Menschen eine Pilzmeningitis verursacht. Der Pilz neigt dazu, Menschen mit einem schwachen Immunsystem zu infizieren und verursacht laut einer Aussage von UCSF etwa 20% aller Todesfälle im Zusammenhang mit HIV / AIDS. Madhani und seine Kollegen verbringen ihre Tage damit, den genetischen Code von zu durchforsten C. neoformansauf der Suche nach kritischen Genen, die der Hefe helfen, in menschliche Zellen einzudringen. Das Team war jedoch überrascht, als Berichte auftauchten, wonach das genetische Material mit Methylgruppen geschmückt ist.
"Als wir gelernt haben hatte DNA-Methylierung ... Ich dachte, wir müssen uns das ansehen, ohne zu wissen, was wir finden würden ", sagte Madhani. Bei Wirbeltieren und Pflanzen fügen Zellen mit Hilfe von zwei Enzymen Methylgruppen zur DNA hinzu. Die erste, "De-novo-Methyltransferase" genannt, klebt Methylgruppen an schmucklose Gene. Das Enzym peppt jede Hälfte des helixförmigen DNA-Strangs mit dem gleichen Muster von Methylgruppen auf, wodurch ein symmetrisches Design entsteht. Während der Zellteilung entfaltet sich die Doppelhelix und baut aus den passenden Hälften zwei neue DNA-Stränge auf. Zu diesem Zeitpunkt taucht ein Enzym namens "Erhaltungsmethyltransferase" auf, um alle Methylgruppen vom ursprünglichen Strang auf die neu gebaute Hälfte zu kopieren. Madhani und seine Kollegen untersuchten vorhandene Evolutionsbäume, um die Geschichte von zu verfolgen C. neoformans im Laufe der Zeit und stellte fest, dass während der Kreidezeit der Vorfahr der Hefe beide Enzyme hatte, die für die DNA-Methylierung erforderlich waren. Aber irgendwo auf der Strecke, C. neoformans verlor das Gen, das zur Herstellung der De-novo-Methyltransferase benötigt wird. Ohne das Enzym könnte der Organismus seiner DNA keine neuen Methylgruppen mehr hinzufügen - er könnte nur vorhandene Methylgruppen mit seinem Erhaltungsenzym abschreiben. Theoretisch könnte das Erhaltungsenzym, selbst wenn es alleine arbeitet, die DNA unbegrenzt in Methylgruppen halten - wenn es jedes Mal eine perfekte Kopie produzieren könnte. In Wirklichkeit macht das Enzym Fehler und verliert jedes Mal, wenn sich die Zelle teilt, den Überblick über Methylgruppen, stellte das Team fest. Wenn in einer Petrischale aufgezogen, C. neoformans Zellen gewannen gelegentlich zufällig zufällige Methylgruppen, ähnlich wie zufällige Mutationen in der DNA auftreten. Die Zellen verloren jedoch etwa 20-mal schneller Methylgruppen, als sie neue gewinnen konnten. Innerhalb von etwa 7.500 Generationen würde jede letzte Methylgruppe verschwinden und das Erhaltungsenzym nach Schätzungen des Teams nicht mehr kopieren. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der C. neoformans multipliziert, sollte die Hefe innerhalb von etwa 130 Jahren alle ihre Methylgruppen verloren haben. Stattdessen wurden die epigenetischen Änderungen für zig Millionen Jahre beibehalten. "Da die Verlustrate höher ist als die Gewinnrate, würde das System mit der Zeit langsam die Methylierung verlieren, wenn es keinen Mechanismus gäbe, um sie dort zu halten", sagte Madhani. Dieser Mechanismus ist natürliche Selektion, sagte er. Mit anderen Worten, obwohl C. neoformans Die Methylierung gewann neue Methylgruppen viel langsamer als sie verlor. Die Methylierung erhöhte die "Fitness" des Organismus dramatisch, was bedeutete, dass sie Personen mit weniger Methylierung übertreffen konnte. "Fit" -Personen setzten sich gegen diejenigen mit weniger Methylgruppen durch, und daher blieb der Methylierungsgrad über Millionen von Jahren höher. Aber welchen evolutionären Vorteil könnten diese Methylgruppen bieten? C. neoformans? Nun, sie könnten das Genom der Hefe vor potenziell tödlichen Schäden schützen, sagte Madhani. Transposons, auch als "springende Gene" bekannt, hüpfen nach Lust und Laune um das Genom und setzen sich oft an sehr ungünstigen Stellen ein. Zum Beispiel könnte ein Transposon in das Zentrum eines Gens springen, das für das Überleben der Zellen erforderlich ist; Diese Zelle könnte versagen oder sterben. Glücklicherweise können Methylgruppen Transposons greifen und an Ort und Stelle fixieren. Es kann sein, dass C. neoformans hält einen bestimmten Grad an DNA-Methylierung aufrecht, um die Transposons in Schach zu halten, sagte Madhani. "Keine einzelne Stelle ist besonders wichtig, aber die Gesamtdichte der Methylierung auf Transposons wird ausgewählt", fügte er hinzu. "Dasselbe gilt wahrscheinlich auch für unser Genom." Viele Rätsel um die DNA-Methylierung in C. neoformans. Laut einer Studie von Madhani aus dem Jahr 2008 scheint neben dem Kopieren von Methylgruppen zwischen DNA-Strängen die Erhaltung der Methyltransferase wichtig zu sein, wenn es darum geht, wie die Hefe beim Menschen Infektionen verursacht. Ohne das intakte Enzym kann sich der Organismus nicht so effektiv in Zellen hacken. "Wir haben keine Ahnung, warum es für eine effiziente Infektion erforderlich ist", sagte Madhani. Das Enzym benötigt auch große Mengen chemischer Energie, um zu funktionieren, und kopiert nur Methylgruppen auf die leere Hälfte der replizierten DNA-Stränge. Im Vergleich dazu benötigt das äquivalente Enzym in anderen Organismen keine zusätzliche Energie, um zu funktionieren, und interagiert manchmal mit nackter DNA ohne Methylgruppen. Dies geht aus einem Bericht hervor, der auf dem Preprint-Server bioRxiv veröffentlicht wurde. Weitere Forschungen werden genau zeigen, wie Methylierung funktioniert C. neoformansund ob diese neu entdeckte Form der Evolution in anderen Organismen auftritt.
