Evolutie en natuurlijke selectie vinden plaats op het niveau van DNA, aangezien genen muteren en genetische eigenschappen blijven hangen of verloren gaan in de tijd. Maar nu denken wetenschappers dat evolutie op een heel andere schaal kan plaatsvinden - niet doorgegeven via genen, maar via moleculen die aan hun oppervlak vastzitten.
Deze moleculen, bekend als methylgroepen, veranderen de structuur van DNA en kunnen genen aan- en uitzetten. De veranderingen staan bekend als "epigenetische modificaties", wat betekent dat ze "boven" of "bovenop" het genoom verschijnen. Veel organismen, waaronder mensen, hebben DNA bezaaid met methylgroepen, maar wezens zoals fruitvliegen en rondwormen verloren de benodigde genen om dit te doen tijdens de evolutionaire tijd.
Een ander organisme, de gist Cryptococcus neoformans, verloren ook belangrijke genen voor methylering ergens tijdens het Krijt, ongeveer 50 tot 150 miljoen jaar geleden. Maar opmerkelijk genoeg heeft de schimmel in zijn huidige vorm nog steeds methylgroepen op zijn genoom. Nu theoretiseren wetenschappers dat C. neoformans was in staat om tientallen miljoenen jaren vast te houden aan epigenetische bewerkingen, dankzij een nieuwe vorm van evolutie, volgens een studie die op 16 januari in het tijdschrift Cell is gepubliceerd.
De onderzoekers achter de studie hadden niet verwacht een goed bewaard geheim van evolutie te onthullen, senior auteur Dr. Hiten Madhani, een professor biochemie en biofysica aan de Universiteit van Californië, San Francisco, en hoofdonderzoeker aan de Chan Zuckerberg Biohub, vertelde WordsSideKick.com.
De groep studeert meestal C. neoformans om beter te begrijpen hoe de gist bij mensen meningitis veroorzaakt. De schimmel heeft de neiging om mensen met een zwak immuunsysteem te infecteren en veroorzaakt ongeveer 20% van alle aan HIV / AIDS gerelateerde sterfgevallen, volgens een verklaring van UCSF. Madhani en zijn collega's spenderen hun dagen aan het doorzoeken van de genetische code van C. neoformans, op zoek naar kritische genen die de gist helpen menselijke cellen binnen te dringen. Maar het team was verrast toen er rapporten verschenen die suggereerden dat het genetische materiaal wordt versierd met methylgroepen.
'Toen we leerden had DNA-methylering ... Ik dacht, we moeten dit bekijken, helemaal niet wetend wat we zouden vinden, 'zei Madhani. Bij gewervelde dieren en planten voegen cellen met behulp van twee enzymen methylgroepen toe aan het DNA. De eerste, genaamd "de novo methyltransferase", plakt methylgroepen op onopgesmukte genen. Het enzym pepert elke helft van de helixvormige DNA-streng met hetzelfde patroon van methylgroepen, waardoor een symmetrisch ontwerp ontstaat. Tijdens de celdeling ontvouwt de dubbele helix zich en bouwt twee nieuwe DNA-strengen uit de bijpassende helften. Op dit punt komt een enzym genaamd "maintenance methyltransferase" binnen om alle methylgroepen van de oorspronkelijke streng naar de nieuw gebouwde helft te kopiëren. Madhani en zijn collega's keken naar bestaande evolutionaire bomen om de geschiedenis van te achterhalen C. neoformans door de tijd heen, en ontdekte dat, tijdens het Krijt, de voorouder van de gist beide enzymen had die nodig zijn voor DNA-methylering. Maar ergens langs de lijn, C. neoformans verloor het gen dat nodig is om de novo methyltransferase te maken. Zonder het enzym zou het organisme geen nieuwe methylgroepen meer aan zijn DNA kunnen toevoegen - het zou alleen bestaande methylgroepen kunnen kopiëren met zijn onderhoudsenzym. In theorie zou het onderhoudsenzym, zelfs als het alleen zou werken, DNA voor onbepaalde tijd in methylgroepen kunnen houden - als het elke keer een perfecte kopie zou kunnen produceren. In werkelijkheid maakt het enzym fouten en verliest het elke keer dat de cel zich deelt methylgroepen uit het oog, ontdekte het team. In een petrischaal grootgebracht, C. neoformans cellen kregen af en toe nieuwe methylgroepen door willekeurige kans, vergelijkbaar met hoe willekeurige mutaties in DNA ontstaan. De cellen verloren de methylgroepen echter ongeveer 20 keer sneller dan dat ze nieuwe konden winnen. Binnen ongeveer 7500 generaties zou elke laatste methylgroep verdwijnen, waardoor het onderhoudsenzym niets meer te kopiëren had, schatte het team. Gezien de snelheid waarmee C. neoformans vermenigvuldigt, zou de gist al zijn methylgroepen binnen ongeveer 130 jaar moeten hebben verloren. In plaats daarvan behield het de epigenetische bewerkingen tientallen miljoenen jaren. "Omdat het verliespercentage hoger is dan het winstpercentage, zou het systeem na verloop van tijd de methylering langzaam verliezen als er geen mechanisme was om het daar te houden," zei Madhani. Dat mechanisme is natuurlijke selectie, zei hij. Met andere woorden, ook al C. neoformans was veel langzamer aan het winnen van nieuwe methylgroepen dan aan het verliezen ervan, methylering verhoogde de 'fitheid' van het organisme dramatisch, wat betekende dat het individuen met minder methylering kon overtreffen. 'Fit'-individuen hadden de overhand op degenen met minder methylgroepen, en dus bleven de methyleringsniveaus gedurende miljoenen jaren hoger. Maar wat voor evolutionair voordeel zouden deze methylgroepen kunnen bieden C. neoformans? Welnu, ze kunnen het genoom van de gist beschermen tegen mogelijk dodelijke schade, zei Madhani. Transposons, ook wel "springende genen" genoemd, springen in een opwelling rond het genoom en voegen zich vaak op zeer ongelegen plaatsen in. Een transposon kan bijvoorbeeld naar het midden van een gen springen dat nodig is voor celoverleving; die cel kan defect raken of sterven. Gelukkig kunnen methylgroepen zich vasthouden aan transposons en ze op hun plaats vergrendelen. Het zou kunnen zijn dat C. neoformans handhaaft een bepaald niveau van DNA-methylering om transposons onder controle te houden, zei Madhani. "Geen enkele individuele plaats is bijzonder belangrijk, maar de algehele dichtheid van methylering op transposons wordt geselecteerd" gedurende evolutionaire tijdschalen, voegde hij eraan toe. 'Hetzelfde geldt waarschijnlijk voor onze genomen.' Veel mysteries omringen DNA-methylering nog steeds C. neoformans. Naast het kopiëren van methylgroepen tussen DNA-strengen, lijkt het onderhoud van methyltransferase belangrijk te zijn als het gaat om hoe de gist infecties veroorzaakt bij mensen, volgens een onderzoek van Madhani uit 2008. Zonder dat het enzym intact is, kan het organisme niet zo effectief in cellen hacken. 'We hebben geen idee waarom het nodig is voor een efficiënte infectie', zei Madhani. Het enzym heeft ook grote hoeveelheden chemische energie nodig om te functioneren en kopieert alleen methylgroepen op de blanco helft van gerepliceerde DNA-strengen. Ter vergelijking: het equivalente enzym in andere organismen heeft geen extra energie nodig om te functioneren en interageert soms met naakt DNA, verstoken van methylgroepen, volgens een rapport op de preprint-server bioRxiv. Nader onderzoek zal uitwijzen hoe methylering precies werkt C. neoformans, en of deze hernieuwde vorm van evolutie in andere organismen voorkomt.
