Evolusi dan pemilihan semulajadi berlaku di peringkat DNA, sebagai mutasi gen dan ciri-ciri genetik sama ada melekat atau hilang dari masa ke masa. Tetapi sekarang, para saintis berfikir evolusi mungkin berlaku pada keseluruhan skala yang lain - tidak diturunkan melalui gen, tetapi melalui molekul terikat pada permukaan mereka.
Molekul ini, yang dikenali sebagai kumpulan metil, mengubah struktur DNA dan boleh menghidupkan dan mematikan gen. Perubahan ini dikenali sebagai "pengubahsuaian epigenetik," yang bermaksud mereka muncul "di atas" atau "di atas" genom. Banyak organisma, termasuk manusia, mempunyai DNA yang dipenuhi dengan kumpulan metil, tetapi makhluk seperti lalat buah dan ulat bulu hilang gen yang diperlukan untuk melakukannya sepanjang masa evolusi.
Satu lagi organisma, yis Neoformans Cryptococcus, juga kehilangan gen utama untuk metilasi pada masa Kretaceous sekitar 50 hingga 150 juta tahun yang lalu. Namun, dalam bentuk semasa, kulat masih mempunyai kumpulan metil pada genomnya. Sekarang, para saintis berteori itu C. neoformans mampu bertahan hingga epigenetic edits selama berpuluh-puluh juta tahun, terima kasih kepada modus evolusi yang baru, menurut sebuah kajian yang diterbitkan pada 16 Januari di jurnal Cell.
Penyelidik di sebalik kajian itu tidak mengharapkan rahsia evolusi, pengarang kanan Dr Hiten Madhani, seorang profesor biokimia dan biofisika di University of California, San Francisco, dan penyelidik utama di Chan Zuckerberg Biohub, memberitahu Live Science.
Kumpulan itu biasanya belajar C. neoformans untuk lebih memahami bagaimana ragi menyebabkan meningitis kulat pada manusia. Kulat cenderung menjangkiti orang dengan sistem imun yang lemah dan menyebabkan kira-kira 20% daripada semua kematian berkaitan HIV / AIDS, menurut kenyataan dari UCSF. Madhani dan rakan-rakannya menghabiskan masa mereka menggali kod genetik C. neoformans, mencari gen kritikal yang membantu yis menyerang sel manusia. Tetapi pasukan itu terkejut apabila laporan muncul menunjukkan bahawa bahan genetik dihiasi dengan kumpulan metil.
"Apabila kita belajar mempunyai DNA metilasi ... Saya fikir, kita perlu melihat ini, tanpa mengetahui apa yang akan kita dapati, "kata Madhani. Dalam vertebrata dan tumbuhan, sel menambah kumpulan metil ke DNA dengan bantuan dua enzim. Yang pertama, yang dipanggil "de novo methyltransferase," melekatkan kumpulan metil ke gen yang tidak berdaun. Enzim lada setiap setengah daripada helai DNA berbentuk heliks dengan corak kumpulan metil yang sama, mewujudkan reka bentuk simetri. Semasa pembahagian sel, helix berganda mengilap dan membina dua helai DNA baru dari bahagian sepadan. Pada ketika ini, enzim yang dipanggil "penyelenggaraan methyltransferase" membiak untuk menyalin semua kumpulan metil dari helai asal ke bahagian yang baru dibina. Madhani dan rakan-rakannya melihat pokok-pokok evolusi sedia ada untuk mengesan sejarah C. neoformans dari masa ke masa, dan mendapati bahawa, semasa tempoh Cretaceous, nenek moyang itu mempunyai kedua-dua enzim yang diperlukan untuk metilasi DNA. Tetapi di suatu tempat di sepanjang garis itu, C. neoformans kehilangan gen yang diperlukan untuk membuat de novo methyltransferase. Tanpa enzim, organisma tidak lagi boleh menambah kumpulan metil baru ke DNAnya - ia hanya boleh menyalin kumpulan metil yang sedia ada menggunakan enzim penyelenggaraannya. Secara teori, walaupun bekerja sendiri, enzim penyelenggaraan dapat menyimpan DNA yang dilindungi dalam kumpulan metil selama-lamanya - jika ia dapat menghasilkan salinan sempurna setiap kali. Pada hakikatnya, enzim itu membuat kesilapan dan kehilangan jejak kumpulan metil setiap kali sel membahagi, pasukan itu mendapati. Apabila dibangkitkan dalam hidangan petri, C. neoformans sel-sel kadang-kadang mendapat kumpulan metil baru dengan peluang rawak, sama seperti mutasi rawak yang timbul dalam DNA. Walau bagaimanapun, sel-sel kehilangan kumpulan metil kira-kira 20 kali lebih cepat daripada yang mereka dapat mendapatkan yang baru. Dalam kira-kira 7,500 generasi, setiap kumpulan methyl yang terakhir akan hilang, meninggalkan enzim penyelenggaraan apa-apa untuk disalin, pasukan dianggarkan. Memandangkan kelajuan di mana C. neoformans berbilang, yis sepatutnya telah kehilangan semua kumpulan metilnya dalam masa kira-kira 130 tahun. Sebaliknya, ia mengekalkan pengeditan epigenetik untuk puluhan juta tahun. "Oleh kerana kadar kerugian lebih tinggi daripada kadar keuntungan, sistem perlahan-lahan akan kehilangan metilasi dari masa ke masa jika tidak ada mekanisme untuk menyimpannya di sana," kata Madhani. Mekanisme itu adalah pemilihan semulajadi, katanya. Dalam erti kata lain, walaupun C. neoformans telah mendapat kumpulan metil baru lebih perlahan daripada kehilangan mereka, metilasi secara dramatik meningkatkan "kecergasan" organisma yang bermaksud ia dapat mengatasi individu dengan kurang metilasi. Individu "Fit" menguasai mereka yang mempunyai kumpulan metil yang lebih sedikit, dan oleh itu, tahap metilasi kekal lebih tinggi selama berjuta-juta tahun. Tetapi apa kelebihan evolusi yang boleh ditawarkan oleh kumpulan metil ini C. neoformans? Nah, mereka mungkin melindungi genom ragi dari kerosakan yang berpotensi maut, kata Madhani. Transposons, yang juga dikenali sebagai "gen melompat", melompat di sekitar genom pada sesuka hati dan sering menyelitkan diri di tempat-tempat yang sangat menyusahkan. Sebagai contoh, transposon boleh melompat ke pusat gen yang diperlukan untuk survival sel; sel itu mungkin rosak atau mati. Nasib baik, kumpulan metil boleh merebut transposon dan menguncinya di tempatnya. Mungkin itu C. neoformans mengekalkan tahap tertentu metilasi DNA untuk memastikan transposon di cek, kata Madhani. "Tidak ada tapak individu yang sangat penting, tetapi ketumpatan keseluruhan metilasi pada transposon dipilih untuk" lebih banyak masa-masa evolusi, "tambahnya. "Perkara yang sama mungkin benar dalam genom kita." Banyak misteri masih mengelilingi metilasi DNA di C. neoformans. Selain menyalin kumpulan metil di antara helai DNA, metiltransferase penyelenggaraan seolah-olah menjadi penting apabila datang kepada bagaimana ragi menyebabkan jangkitan pada manusia, menurut kajian 2008 oleh Madhani. Tanpa enzim utuh, organisma tidak boleh menggodam sel-sel dengan berkesan. "Kami tidak tahu mengapa ia diperlukan untuk jangkitan yang cekap," kata Madhani. Enzim ini juga memerlukan sejumlah besar tenaga kimia untuk berfungsi dan hanya salinan kumpulan metil ke separuh kosong daripada helai DNA yang direplikasi. Sebagai perbandingan, enzim yang bersamaan dalam organisma lain tidak memerlukan tenaga tambahan untuk berfungsi dan kadang-kadang berinteraksi dengan DNA telanjang, tanpa sebarang kumpulan metil, menurut laporan yang disiarkan pada bioRxiv pelayan prapaskah. Kajian lanjut akan mendedahkan bagaimana kerja metilasi C. neoformans, dan sama ada bentuk evolusi yang baru ini muncul dalam organisma lain.
