Ученые открыли новый способ эволюции

Ученые обнаружили форму естественного отбора, которая не зависит от ДНК.

Эволюция и естественный отбор происходят на уровне ДНК, поскольку гены мутируют, а генетические признаки либо остаются, либо теряются со временем. Но теперь ученые считают, что эволюция может происходить в совершенно ином масштабе — передаваться не через гены, а через молекулы, прилипшие к их поверхности.

Эти молекулы, известные как метильные группы, изменяют структуру ДНК и могут включать и выключать гены. Изменения известны как «эпигенетические модификации», то есть они появляются «над» или «поверх» генома. У многих организмов, ДНК усеяна метильными группами, но такие существа, как плодовые мухи и круглые черви, потеряли необходимые гены.

Другой организм, дрожжи Cryptococcus neoformans, также потерял ключевые гены для метилирования где-то в меловой период, около 50-150 миллионов лет назад. Но примечательно, что в своем нынешнем виде грибок все еще имеет метильные группы в своем геноме. Теперь, согласно теоретическому исследованию, опубликованному 16 января в журнале Cell, ученые сумели предположить, что C. neoformans удалось сохранить эпигенетические изменения в течение десятков миллионов лет благодаря новому способу эволюции.

«Мы не ожидали раскрытия секрета эволюции», говорит старший автор доктор Хитен Мадхани, профессор биохимии и биофизики в Университете Калифорнии, Сан-Франциско.

Ученые изучают C. neoformans, чтобы лучше понять, как дрожжи вызывают грибковый менингит у людей. Согласно заявлению UCSF, грибок поражает людей со слабой иммунной системой и является причиной около 20% всех случаев смерти от ВИЧ/СПИДа. Мадхани и его коллеги проводят дни, копаясь в генетическом коде C. neoformans, ища критические гены, которые помогают дрожжам проникать в клетки человека. Но команда была удивлена, когда появились сообщения о том, что генетический материал украшен метильными группами.

«Когда мы узнали, что у [C. neoformans] метилирование ДНК… Я подумал, что мы должны смотреть на это, даже не зная, что мы найдем», — сказал Мадхани.

У позвоночных и растений клетки добавляют метильные группы к ДНК с помощью двух ферментов. Первая, называемая «де ново метилтрансфераза», прикрепляет метильные группы к неукрашенным генам. Фермент окрашивает каждую половину спиралевидной нити ДНК с одинаковым рисунком метильных групп, создавая симметричный дизайн. Во время деления клетки двойная спираль разворачивается и строит две новые нити ДНК из соответствующих половинок. В этот момент энзим, называемый «поддерживающей метилтрансферазой», начинает копировать все метильные группы из исходной цепи на вновь построенную половину.

Мадхани и его коллеги изучили существующие эволюционные деревья, чтобы проследить историю C. neoformans во времени, и обнаружили, что в меловом периоде у предка дрожжей были оба фермента, необходимые для метилирования ДНК. Но где-то C. neoformans потерял ген, необходимый для создания де ново метилтрансферазы. Без фермента организм больше не мог бы добавлять новые метильные группы в свою ДНК — он мог только копировать существующие метильные группы.

Теоретически, даже работая в одиночку, поддерживающий фермент мог сохранять ДНК в метильных группах неопределенно долго — если бы он мог производить идеальную копию каждый раз.

В действительности, энзим совершает ошибки и теряет метильные группы каждый раз, когда клетка делится, обнаружила команда. При выращивании в чашке Петри клетки C. neoformans иногда случайно получали новые метильные группы, подобно тому, как случайные мутации возникают в ДНК. Однако клетки теряли метильные группы примерно в 20 раз быстрее, чем могли получить новые.

По оценкам команды, в течение примерно 7500 поколений каждая последняя метильная группа исчезнет, ​​и ферменту ничего не останется копировать. Учитывая скорость, с которой размножается C. neoformans, дрожжи должны были потерять все свои метильные группы в течение примерно 130 лет. Вместо этого он сохранил эпигенетические правки в течение десятков миллионов лет.

Многие загадки все еще окружают метилирование ДНК у C. neoformans. Согласно исследованию Мадхани, проведенному в 2008 году, помимо копирования метильных групп между цепями ДНК, поддерживающая метилтрансфераза, по-видимому, важна, когда речь идет о том, как дрожжи вызывают инфекции у людей. Без целого энзима организм не может так эффективно проникать в клетки.

«Мы понятия не имеем, почему это необходимо для эффективного заражения», — сказал Мадхани.

Фермент также требует большого количества химической энергии для функционирования и копирует только метильные группы на чистую половину реплицированных цепей ДНК. Для сравнения, эквивалентный фермент в других организмах не требует дополнительной энергии для функционирования и иногда взаимодействует с голой ДНК, лишенной каких-либо метильных групп, согласно отчету, опубликованному на сервере препринтов bioRxiv.

Дальнейшие исследования покажут, как именно метилирование работает у C. neoformans и появляется ли эта новая форма эволюции у других организмов.