Gli scienziati hanno scoperto una forma di selezione naturale indipendente dal DNA.
L'evoluzione e la selezione naturale avvengono a livello del DNA, poiché i geni mutano e i tratti genetici rimangono o si perdono nel tempo. Ma ora gli scienziati ritengono che l'evoluzione possa avvenire su una scala completamente diversa, non trasmessa attraverso i geni, ma attraverso le molecole attaccate alla loro superficie.
Queste molecole, note come gruppi metilici, alterano la struttura del DNA e possono attivare e disattivare i geni. Le modifiche sono note come “modifiche epigenetiche”, nel senso che appaiono “sopra” o “sopra” il genoma. In molti organismi, il DNA è costellato di gruppi metilici, ma creature come i moscerini della frutta e i nematodi hanno perso i geni di cui hanno bisogno.
Un altro organismo, il lievito Cryptococcus neoformans, ha anche perso i geni chiave per la metilazione nel Cretaceo, circa 50-150 milioni di anni fa. Ma è interessante notare che nella sua forma attuale, il fungo ha ancora gruppi metilici nel suo genoma. Ora, secondo uno studio teorico pubblicato il 16 gennaio sulla rivista Cell, gli scienziati sono stati in grado di ipotizzare che C. neoformans sia riuscito a mantenere i cambiamenti epigenetici per decine di milioni di anni grazie a un nuovo modo di evoluzione.
“Non ci aspettavamo che il segreto dell'evoluzione venisse rivelato”, afferma l'autore senior Dr. Hiten Madhani, professore di biochimica e biofisica all'Università della California, San Francisco.
Gli scienziati stanno studiando C. neoformans per capire meglio come il lievito causa la meningite fungina negli esseri umani. Secondo l'UCSF, il fungo infetta le persone con un sistema immunitario debole ed è responsabile di circa il 20% di tutti i decessi per HIV / AIDS. Madhani ei suoi colleghi passano le giornate a scavare nel codice genetico di C. neoformans, alla ricerca di geni critici che aiutino il lievito a entrare nelle cellule umane. Ma il team è rimasto sorpreso quando sono emerse notizie secondo cui il materiale genetico era decorato con gruppi metilici.
'Quando abbiamo scoperto che [C. neoformans] Metilazione del DNA … Ho pensato che dovremmo guardare a questo senza nemmeno sapere cosa avremmo trovato “, ha detto Madhani.
Nei vertebrati e nelle piante, le cellule aggiungono gruppi metilici al DNA utilizzando due enzimi. Il primo, chiamato “de novo methyltransferase”, lega i gruppi metilici ai geni non colorati. L'enzima colora ciascuna metà del filamento di DNA elicoidale con lo stesso pattern di gruppi metilici, creando un design 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” inizia a copiare tutti i gruppi metilici dalla catena originale alla metà di nuova costruzione.
Madhani e colleghi hanno studiato gli alberi evolutivi esistenti per tracciare la storia di C. neoformans nel tempo e hanno scoperto che l'antenato del lievito aveva entrambi gli enzimi necessari per la metilazione del DNA nel periodo Cretaceo. Ma da qualche parte C. neoformans ha perso il gene necessario per produrre de novo metiltransferasi. Senza l'enzima, il corpo non potrebbe più aggiungere nuovi gruppi metilici al suo DNA, potrebbe solo copiare gruppi metilici esistenti.
In teoria, anche lavorando da solo, un enzima di mantenimento potrebbe trattenere il DNA in gruppi metilici a tempo indefinito, se potesse crearne una copia perfetta ogni volta.
In effetti, l'enzima commette errori e perde gruppi metilici ogni volta che una cellula si divide, ha scoperto il team. Quando vengono coltivate in una piastra di Petri, le cellule di C. neoformans a volte acquisiscono accidentalmente nuovi gruppi metilici, in modo simile a come avvengono mutazioni casuali nel DNA. Tuttavia, le cellule hanno perso gruppi metilici circa 20 volte più velocemente di quanto potrebbero ottenerne di nuovi.
Il team stima che entro circa 7.500 generazioni, l'ultimo gruppo metilico scomparirà, senza lasciare nulla da copiare per l'enzima. Data la velocità con cui C. neoformans si moltiplica, il lievito dovrebbe aver perso tutti i suoi gruppi metilici entro circa 130 anni. Invece, ha mantenuto le modifiche epigenetiche per decine di milioni di anni.
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 causa infezioni negli esseri umani, secondo lo studio del 2008 di Madhani. Senza un enzima intero, il corpo non può penetrare nelle cellule in modo altrettanto efficiente.
“Non abbiamo idea del motivo per cui questo è necessario per un'infezione efficace”, ha detto Madhani.
L'enzima richiede anche molta energia chimica per funzionare e copia solo i gruppi metilici nella metà pulita dei filamenti di DNA replicati. In confronto, l'enzima equivalente in altri organismi non richiede energia aggiuntiva per funzionare e talvolta interagisce con DNA nudo privo di gruppi metilici, secondo un rapporto pubblicato sul server di preprint bioRxiv.
Ulteriori ricerche mostreranno come funziona la metilazione in C. neoformans e se questa nuova forma di evoluzione appare in altri organismi.
