Sự tiến hóa và chọn lọc tự nhiên diễn ra ở cấp độ DNA, do gen đột biến và đặc điểm di truyền hoặc tồn tại xung quanh hoặc bị mất theo thời gian. Nhưng bây giờ, các nhà khoa học nghĩ rằng sự tiến hóa có thể diễn ra ở một quy mô khác - được truyền qua không phải qua gen, mà qua các phân tử dính trên bề mặt của chúng.
Những phân tử này, được gọi là nhóm methyl, làm thay đổi cấu trúc của DNA và có thể bật và tắt gen. Các thay đổi được gọi là "sửa đổi biểu sinh", nghĩa là chúng xuất hiện "ở trên" hoặc "trên đỉnh" của bộ gen. Nhiều sinh vật, bao gồm cả con người, có DNA rải rác với các nhóm methyl, nhưng các sinh vật như ruồi giấm và giun tròn đã mất các gen cần thiết để làm điều đó trong thời gian tiến hóa.
Một sinh vật khác, men Cryptococcus neoformans, cũng đã mất các gen quan trọng để methyl hóa đôi khi trong thời kỳ kỷ Phấn trắng, khoảng 50 đến 150 triệu năm trước. Nhưng đáng chú ý, ở dạng hiện tại, nấm vẫn có các nhóm methyl trên bộ gen của nó. Bây giờ, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng C. neoformans theo một nghiên cứu được công bố vào ngày 16 tháng 1 trên tạp chí Cell.
Các nhà nghiên cứu đứng sau nghiên cứu không mong đợi khám phá bí mật về sự tiến hóa, tác giả cao cấp Tiến sĩ Hiten Madhani, giáo sư sinh hóa và vật lý sinh học tại Đại học California, San Francisco, và nhà điều tra chính tại Chan Zuckerberg Biohub, nói với Khoa học trực tiếp.
Nhóm thường học C. neoformans để hiểu rõ hơn về cách nấm men gây viêm màng não ở người. Theo một tuyên bố từ UCSF, loại nấm này có xu hướng lây nhiễm cho những người có hệ thống miễn dịch yếu và gây ra khoảng 20% các ca tử vong liên quan đến HIV / AIDS. Madhani và các đồng nghiệp của mình dành nhiều ngày để đào bới mã di truyền của C. neoformans, tìm kiếm các gen quan trọng giúp nấm men xâm chiếm tế bào người. Nhưng nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi các báo cáo xuất hiện cho thấy vật liệu di truyền được trang trí bằng các nhóm methyl.
"Khi chúng tôi học Tôi đã bị methyl hóa DNA, tôi nghĩ rằng chúng ta phải xem xét điều này, không biết tất cả những gì chúng ta tìm thấy ", Madhani nói. Ở động vật có xương sống và thực vật, các tế bào thêm các nhóm methyl vào DNA với sự trợ giúp của hai enzyme. Nhóm đầu tiên, được gọi là "de novo methyltransferase", gắn các nhóm methyl vào các gen không được tạo ra. Enzyme ớt mỗi nửa chuỗi DNA hình xoắn ốc có cùng kiểu mẫu của các nhóm methyl, tạo ra một thiết kế đối xứng. Trong quá trình phân chia tế bào, chuỗi xoắn kép mở ra và xây dựng hai chuỗi DNA mới từ các nửa phù hợp. Tại thời điểm này, một loại enzyme gọi là "bảo trì methyltransferase" sẽ xâm nhập để sao chép tất cả các nhóm methyl từ chuỗi ban đầu lên một nửa mới được xây dựng. Madhani và các đồng nghiệp đã nhìn vào những cây tiến hóa hiện có để truy tìm lịch sử của C. neoformans qua thời gian và nhận thấy rằng, trong thời kỳ kỷ Phấn trắng, tổ tiên của nấm men có cả hai loại enzyme cần thiết cho quá trình methyl hóa DNA. Nhưng đâu đó dọc theo dòng, C. neoformans mất gen cần thiết để tạo ra de novo methyltransferase. Không có enzyme, sinh vật không còn có thể thêm các nhóm methyl mới vào DNA của mình - nó chỉ có thể sao chép các nhóm methyl hiện có bằng cách sử dụng enzyme bảo trì. Về lý thuyết, thậm chí hoạt động một mình, enzyme bảo trì có thể giữ DNA được bao phủ trong các nhóm methyl vô thời hạn - nếu nó có thể tạo ra một bản sao hoàn hảo mỗi lần. Trong thực tế, enzyme gây ra sai lầm và mất dấu vết của các nhóm methyl mỗi khi tế bào phân chia, nhóm nghiên cứu tìm thấy. Khi được nuôi trong đĩa petri, C. neoformans đôi khi các tế bào thu được các nhóm methyl mới một cách ngẫu nhiên, tương tự như cách đột biến ngẫu nhiên phát sinh trong DNA. Tuy nhiên, các tế bào bị mất các nhóm methyl nhanh hơn khoảng 20 lần so với các tế bào mới. Trong khoảng 7.500 thế hệ, mọi nhóm methyl cuối cùng sẽ biến mất, khiến enzyme bảo trì không còn gì để sao chép, nhóm nghiên cứu ước tính. Cho tốc độ C. neoformans nhân lên, nấm men đã mất tất cả các nhóm methyl trong vòng khoảng 130 năm. Thay vào đó, nó giữ lại các chỉnh sửa biểu sinh trong hàng chục triệu năm. "Vì tỷ lệ tổn thất cao hơn tốc độ tăng, hệ thống sẽ dần mất đi sự methyl hóa theo thời gian nếu không có cơ chế giữ nó ở đó", Madhani nói. Cơ chế đó là lựa chọn tự nhiên, ông nói. Nói cách khác, mặc dù C. neoformans đã đạt được các nhóm methyl mới chậm hơn nhiều so với việc mất chúng, quá trình methyl hóa làm tăng đáng kể "thể lực" của sinh vật, điều đó có nghĩa là nó có thể vượt qua các cá nhân có ít methyl hóa hơn. Các cá thể "Fit" chiếm ưu thế so với những người có ít nhóm methyl hơn và do đó, mức độ methyl hóa vẫn cao hơn trong hàng triệu năm. Nhưng những lợi thế tiến hóa nào mà các nhóm methyl này có thể mang lại C. neoformans? Chà, họ có thể bảo vệ bộ gen của nấm men khỏi thiệt hại có thể gây chết người, Madhani nói. Transpose, còn được gọi là "gen nhảy", nhảy xung quanh bộ gen bất chợt và thường tự nhét mình vào những nơi rất bất tiện. Chẳng hạn, một transposeon có thể nhảy vào trung tâm của một gen cần thiết cho sự sống của tế bào; tế bào đó có thể bị trục trặc hoặc chết. May mắn thay, các nhóm methyl có thể nắm lấy transpose và khóa chúng tại chỗ. Có thể là như thế C. neoformans Duy trì một mức độ methyl hóa DNA nhất định để giữ cho transpose được kiểm tra, Madhani nói. "Không có vị trí riêng biệt nào đặc biệt quan trọng, nhưng mật độ methyl hóa tổng thể trên transpose được chọn cho" theo thời gian tiến hóa, ông nói thêm. "Điều tương tự có lẽ đúng trong bộ gen của chúng tôi." Nhiều bí ẩn vẫn bao quanh quá trình methyl hóa DNA trong C. neoformans. Bên cạnh việc sao chép các nhóm methyl giữa các chuỗi DNA, việc duy trì methyltransferase dường như rất quan trọng khi nói đến việc nấm men gây nhiễm trùng ở người như thế nào, theo một nghiên cứu năm 2008 của Madhani. Nếu không có enzyme nguyên vẹn, sinh vật không thể xâm nhập vào tế bào một cách hiệu quả. "Chúng tôi không biết tại sao cần phải có sự lây nhiễm hiệu quả", Madhani nói. Enzyme cũng đòi hỏi một lượng lớn năng lượng hóa học để hoạt động và chỉ sao chép các nhóm methyl vào một nửa các chuỗi DNA được sao chép. Trong một so sánh, enzyme tương đương trong các sinh vật khác không cần thêm năng lượng để hoạt động và đôi khi tương tác với DNA trần trụi, không có bất kỳ nhóm methyl nào, theo một báo cáo được đăng trên máy chủ bioRxiv. Nghiên cứu sâu hơn sẽ tiết lộ chính xác cách methyl hóa hoạt động trong C. neoformansvà liệu hình thức tiến hóa mới này có xuất hiện ở các sinh vật khác hay không.
