L'evoluzione e la selezione naturale avvengono a livello del DNA, poiché i geni mutano e i tratti genetici si attaccano o si perdono nel tempo. Ma ora, gli scienziati pensano che l'evoluzione possa avvenire su un'altra scala - trasmessa non attraverso i geni, ma attraverso molecole attaccate alle loro superfici.
Queste molecole, note come gruppi metilici, alterano la struttura del DNA e possono attivare e disattivare i geni. Le alterazioni sono note come "modificazioni epigenetiche", nel senso che appaiono "sopra" o "sopra" il genoma. Molti organismi, compresi gli esseri umani, hanno il DNA punteggiato di gruppi metilici, ma creature come moscerini della frutta e nematodi hanno perso i geni necessari per farlo nel tempo evolutivo.
Un altro organismo, il lievito Cryptococcus neoformans, perse anche geni chiave per la metilazione durante il periodo Cretaceo, circa 50-150 milioni di anni fa. Ma notevolmente, nella sua forma attuale, il fungo ha ancora gruppi metilici sul suo genoma. Ora, gli scienziati lo teorizzano C. neoformans è stato in grado di aggrapparsi alle modifiche epigenetiche per decine di milioni di anni, grazie a una nuova modalità di evoluzione, secondo uno studio pubblicato il 16 gennaio sulla rivista Cell.
I ricercatori dietro lo studio non si aspettavano di scoprire un segreto ben mantenuto dell'evoluzione, l'autore senior Dr. Hiten Madhani, professore di biochimica e biofisica all'Università della California, San Francisco, e ricercatore principale presso il Chan Zuckerberg Biohub, ha detto Live Science.
Il gruppo in genere studia C. neoformans per capire meglio come il lievito provoca la meningite fungina nell'uomo. Il fungo tende a infettare le persone con sistema immunitario debole e causa circa il 20% di tutti i decessi correlati all'HIV / AIDS, secondo una dichiarazione dell'UCSF. Madhani e i suoi colleghi trascorrono le loro giornate a scavare nel codice genetico di C. neoformans, alla ricerca di geni critici che aiutino il lievito a invadere le cellule umane. Ma il team è stato sorpreso quando sono emerse segnalazioni che suggeriscono che il materiale genetico viene adornato con gruppi metilici.
"Quando abbiamo imparato ha avuto la metilazione del DNA ... Ho pensato, dobbiamo guardare a questo, non sapendo affatto cosa troveremmo ", ha detto Madhani. Nei vertebrati e nelle piante, le cellule aggiungono gruppi metilici al DNA con l'aiuto di due enzimi. Il primo, chiamato "de novo methyltransferase", attacca i gruppi metilici su geni disadorno. L'enzima pepita ogni metà del filamento di DNA a forma di elica con lo stesso schema di gruppi metilici, creando un disegno simmetrico. Durante la divisione cellulare, la doppia elica si dispiega e costruisce due nuovi filamenti di DNA dalle metà corrispondenti. A questo punto, un enzima chiamato "metiltransferasi di mantenimento" entra in azione per copiare tutti i gruppi metilici dal filamento originale nella metà di nuova costruzione. Madhani e i suoi colleghi hanno esaminato gli alberi evolutivi esistenti per tracciare la storia di C. neoformans nel tempo, e ha scoperto che, durante il periodo Cretaceo, l'antenato del lievito aveva entrambi gli enzimi necessari per la metilazione del DNA. Ma da qualche parte lungo la linea, C. neoformans perso il gene necessario per produrre de novo metiltransferasi. Senza l'enzima, l'organismo non potrebbe più aggiungere nuovi gruppi metilici al suo DNA - potrebbe solo copiare i gruppi metilici esistenti usando il suo enzima di mantenimento. In teoria, anche lavorando da solo, l'enzima di mantenimento potrebbe mantenere il DNA coperto in gruppi metilici indefinitamente - se fosse in grado di produrre una copia perfetta ogni volta. In realtà, l'enzima commette errori e perde traccia dei gruppi metilici ogni volta che la cellula si divide, il team ha scoperto. Quando allevato in una capsula di Petri, C. neoformans le cellule occasionalmente acquisivano nuovi gruppi metilici per caso, in modo simile a come sorgono mutazioni casuali nel DNA. Tuttavia, le cellule hanno perso gruppi metilici circa 20 volte più velocemente di quanto ne potessero ottenere di nuovi. Entro circa 7.500 generazioni, ogni ultimo gruppo metilico scomparirebbe, lasciando all'enzima di manutenzione nulla da copiare, ha stimato il team. Data la velocità con cui C. neoformans si moltiplica, il lievito avrebbe dovuto perdere tutti i suoi gruppi metilici entro circa 130 anni. Invece, ha mantenuto le modifiche epigenetiche per decine di milioni di anni. "Poiché il tasso di perdita è superiore al tasso di guadagno, il sistema perderebbe lentamente la metilazione nel tempo se non ci fosse un meccanismo per mantenerlo lì", ha detto Madhani. Quel meccanismo è una selezione naturale, ha detto. In altre parole, anche se C. neoformans stava acquisendo nuovi gruppi metilici molto più lentamente di quanto non li perdesse, la metilazione aumentava notevolmente la "idoneità" dell'organismo, il che significava che poteva superare gli individui con meno metilazione. Gli individui "adatti" hanno prevalso su quelli con meno gruppi metilici e, quindi, i livelli di metilazione sono rimasti più alti nel corso di milioni di anni. Ma quale vantaggio evolutivo potrebbero offrire questi gruppi metilici C. neoformans? Bene, potrebbero proteggere il genoma del lievito da danni potenzialmente letali, ha detto Madhani. I trasposoni, noti anche come "geni saltatori", saltellano attorno al genoma per capriccio e spesso si inseriscono in luoghi molto scomodi. Ad esempio, un trasposone potrebbe saltare al centro di un gene necessario per la sopravvivenza cellulare; quella cellula potrebbe non funzionare correttamente o morire. Fortunatamente, i gruppi metilici possono aggrapparsi ai trasposoni e bloccarli in posizione. Potrebbe essere quello C. neoformans mantiene un certo livello di metilazione del DNA per tenere sotto controllo i trasposoni, ha detto Madhani. "Nessun singolo sito è particolarmente importante, ma la densità complessiva di metilazione sui trasposoni è selezionata per" su scale evolutive, ha aggiunto. "La stessa cosa è probabilmente vera nei nostri genomi." Molti misteri circondano ancora la metilazione del DNA in C. neoformans. Oltre a copiare i gruppi metilici tra i filamenti di DNA, la metiltransferasi di mantenimento sembra essere importante quando si tratta di come il lievito provoca infezioni nell'uomo, secondo uno studio del Madhani del 2008. Senza l'enzima intatto, l'organismo non può penetrare nelle cellule in modo efficace. "Non abbiamo idea del perché sia necessaria per un'infezione efficace", ha detto Madhani. L'enzima richiede anche grandi quantità di energia chimica per funzionare e copia solo i gruppi metilici sulla metà vuota dei filamenti di DNA replicati. In confronto, l'enzima equivalente in altri organismi non richiede energia extra per funzionare e talvolta interagisce con il DNA nudo, privo di qualsiasi gruppo metilico, secondo un rapporto pubblicato sul server di prestampa bioRxiv. Ulteriori ricerche riveleranno esattamente come funziona la metilazione C. neoformanse se questa nuova forma evolutiva appare in altri organismi.
