Evoluția ADN-ului și selecția naturală, analizate prin studii asupra drojdiei

Evoluția, ADN. Evoluţia şi selecţia naturală se produc la nivelul ADN-ului, atunci când genele suferă mutaţii şi anumite trăsături genetice sunt păstrate, iar altele sunt abandonate în timp. O echipă de oameni de ştiinţă a ajuns la concluzia că evoluţia se poate desfăşura la o cu totul altă scară, nu prin intermediul genelor, ci al unor molecule ataşate de suprafaţa acestora, conform unui material publicat miercuri de Live Science.

Aceste molecule, cunoscute drept grupări metil, modifică structura ADN-ului şi pot bloca sau activa anumite gene. Rezultatele poartă numele de modificări epigenetice, ceea ce înseamnă că se produc "deasupra" sau "peste" genom. Multe organisme, printre care şi cel uman, au ADN-ul presărat cu grupări metil, însă există şi creaturi, precum musculiţa de oţet sau viermii cilindrici (nematodele), care şi-au pierdut genele necesare pentru acest lucru. Un alt organism, drojdia, Cryptococcus neoformans, a pierdut o serie de gene cheie pentru metilare încă din Cretacic (perioadă cuprinsă între 150 şi până la 50 de milioane de ani în urmă). Remarcabil însă, în forma sa actuală, drojdia încă dispune de grupări metil pe genomul său. Acum cercetătorii sunt de părere că C. neoformans a reuşit să-şi păstreze modificările epigenetice timp de zeci de milioane de ani datorită unui nou-descoperit mod de evoluţie, conform unui studiu publicat la 16 ianuarie în jurnalul Cell.

Meningită fungică la oameni și ADN-ul

Cercetătorii care au realizat acest studiu nu se aşteptau să dea peste unul dintre cele mai bine păstrate secrete al evoluţiei, conform coordonatorului lucrării, Dr. Hiten Madhani, profesor de biochimie şi biofizică la Universitatea California din San Francisco şi cercetător principal în cadrul grupului Chan Zuckerberg Biohub (un grup de studiu comun al universităţilor Berkeley, UCSF şi Stanford în domeniul medicinei, finanţat de CEO-ul Facebook şi de soţia sa). Acest grup studiază C. neoformans pentru a înţelege mai bine modul în care drojdia produce meningită fungică la oameni. Fungii au tendinţa să infecteze oamenii cu sisteme imunitare slăbite şi produc aproximativ 20% din totalul deceselor la pacienţii diagnosticaţi cu HIV/SIDA. Madhani şi colegii săi au analizat codul genetic al drojdiei C. neoformans, în căutarea acelor gene care ajută drojdia să invadeze celulele umane. Echipa a fost surprinsă să afle că acest material genetic este "ornat" cu grupări metil.

"Când am aflat că C. neoformans dispune de metilare ADN... am fost de acord că trebuie să cercetăm mai îndeaproape, fără să ştiu la ce să mă aştept", a susţinut Madhani said.

La vertebrate şi plante, celulele adaugă grupări metil la ADN cu ajutorul a două enzime. Prima, denumită "de novo metiltransferază", fixează grupări metil pe gene libere. Enzima acoperă fiecare jumătate a catenei ADN în formă de helix cu acelaşi tipar de grupări metilice, generând un design simetric. În timpul diviziunii celulare, catena dublu-helix se desface şi construieşte două noi catene ADN din cele două jumătăţi. În acest moment, o enzimă denumită "metiltransferază de întreţinere" intervine şi copiază toate grupările metil de pe catena ADN originară pe jumătatea de catenă nouă.

Conform lui Madhani, în timpul Cretacicului, strămoşul drojdiei C. neoformans dispunea de ambele enzime necesare metilării ADN-ului. Ulterior însă, C. neoformans şi-a pierdut gena necesară pentru a produce enzima de novo metiltransferază. Fără această enzimă, organismul nu mai poate adăuga noi grupări metil la ADN-ul său ci poate doar să copieze grupările de metilare existente, folosind enzima de întreţinere.

Teoretic, chiar şi acţionând singură, enzima de întreţinere poate menţine ADN-ul acoperit de grupări metil oricât de mult timp, cu condiţia să producă de fiecare dată o copie perfectă a sa. În realitate însă, enzima face greşeli şi pierde urmele grupărilor metil de fiecare dată când celula se divide, conform echipei de cercetători. În culturi de laborator, pe vase petri, celulele drojdiei C. neoformans pot achiziţiona ocazional, din întâmplare, noi grupări metilice - similar modului în care pot apărea mutaţii aleatoare în ADN. Aceste celule însă îşi pierd grupările metilice de aproximativ 20 de ori mai rapide decât pot achiziţiona unele noi.

Procesul de metilare

În aproximativ 7.500 de generaţii, fiecare grupare metilică ar fi trebuit să dispară, iar enzima de întreţinere nu ar mai fi avut ce să copieze, conform estimărilor echipei. Ţinând cont de viteza cu care se reproduce C. neoformans, această drojdie ar fi trebuit să îşi piardă toate grupările metil de pe genele sale în aproximativ 130 de ani. În schimb, şi-a păstrat caracteristicile epigenetice timp de zeci de milioane de ani.

"Pentru că rata de pierdere este mai ridicată decât cea de câştig, sistemul ar fi trebuit să-şi piardă metilarea de-a lungul timpului, dacă nu ar fi existat un mecanism care să o păstreze acolo. Acest mecanism este selecţia naturală", susţine Madhani. Cu alte cuvinte, chiar dacă drojdia C. neoformans obţinea noi grupări metilice mult mai încet decât le pierdea pe cele pe care le avea, metilarea a crescut semnificativ "fitness-ul" organismului, ceea ce înseamnă că a putut învinge în competiţia pentru energie indivizii cu mai puţine grupări de metilare. Indivizii "fit" s-au impus în faţa celor cu mai puţine grupări de metilare şi astfel nivelurile de metilare ale drojdiei C. neoformans au rămas ridicate de-a lungul milioanelor de ani. Dar care este avantajul evolutiv pe care grupările metil îl oferă acestui organism? Conform lui Madhani, ele pot proteja genomul drojdiei de daune potenţial letale.

Transpozonii (elemente transpozabile), cunoscuţi şi drept "gene săltăreţe", sar de colo-colo, aparent aleator, în jurul genomului şi de multe ori ajung să pătrundă în locuri incomode. Spre exemplu, un transpozon poate sări în centrul unei gene necesare pentru supravieţuirea celulei, iar acea celulă se poate îmbolnăvi sau poate muri. Din fericire, grupările metil se pot ataşa de transpozoni şi îi fixează pe loc. S-ar putea ca drojdia C. neoformans să menţină un anumit nivel de metilare ADN pentru a ţine transpozonii pe loc. "Niciun singur lor (de metilare) nu este deosebit de important, însă densitatea totală de metilare pe transpozoni este cea care este selectată de-a lungul unor perioade de timp mari, la scară evolutivă. Acelaşi lucru este probabil adevărat şi pentru genomul uman", susţine Madhani.

Multe mistere înconjoară încă metilarea ADN-ului la drojdia C. neoformans. În afară de copierea grupărilor metilice între catenele ADN, enzima metiltransferază de întreţinere pare să aibă un rol important şi în ceea ce priveşte modul în care drojdia produce infecţii la oameni, conform unui studiu mai vechi, realizat de Madhani în 2008.

Această enzimă necesită şi mari cantităţi de energie pentru a funcţiona corespunzător şi pentru a copia doar grupările metilice pe jumătatea goală a catenelor ADN replicate. Prin comparaţie, enzimele echivalente din alte organisme nu necesită energie suplimentară pentru a funcţiona, iar uneori interacţionează direct cu ADN-ul gol, lipsit de orice grupare metilică. Studiile ulterioare vor determina exact modul în care procesul de metilare funcţionează în cazul drojdiei C. neoformans, şi dacă această nou-descoperită formă de evoluţie se manifestă şi la alte organisme.