מדענים חושפים דרך חדשה להתפתחות

אבולוציה ובחירה טבעית מתרחשות ברמה של DNA, שכן גנים משתנים ותכונות גנטיות מסתובבות או הולכות לאיבוד לאורך זמן. אולם כעת, מדענים חושבים שהאבולוציה עשויה להתרחש בקנה מידה אחר לגמרי - מועבר לא דרך גנים, אלא דרך מולקולות הדבוקות למשטחים שלהן.

מולקולות אלה, המכונות קבוצות מתיל, משנות את מבנה ה- DNA ויכולות להפעיל ולכבות גנים. השינויים מכונים "שינויים אפיגנטיים", כלומר הם מופיעים "מעל" או "מעל" הגנום. לאורגניזמים רבים, כולל בני אדם, יש DNA המנוקד בקבוצות מתיל, אך יצורים כמו זבובי פרי ותולעים עגולות איבדו את הגנים הנדרשים לעשות זאת במהלך האבולוציה.

אורגניזם אחר, השמרים Cryptococcus neoformans, איבדו גם גנים עיקריים למתילציה מתישהו בתקופת הקרטיקון, לפני כחמישים עד 150 מיליון שנה. אך למרבה הפלא, בצורתה הנוכחית, הפטרייה עדיין מכילה קבוצות מתיל בגנום שלה. עכשיו, מדענים משערים את זה C. neoformans המחקר שפורסם ב -16 בינואר בכתב העת Cell, הצליח להיאחז בעריכות אפיגנטיות במשך עשרות מיליוני שנים, הודות למצב חדש של התפתחות.

החוקרים שמאחורי המחקר לא ציפו לחשוף סוד אבולוציה מטופח, הסופרת הבכירה ד"ר הייטן מדאני, פרופסור לביוכימיה וביו-פיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו, והחוקרת הראשית בביו-צ'אן צוקרברג, אמר לייב מדע.

הקבוצה בדרך כלל לומדת C. neoformans כדי להבין טוב יותר כיצד השמרים גורמים לדלקת קרום המוח הפטרייתית אצל בני אדם. הפטרייה נוטה להדביק אנשים עם מערכות חיסון חלשות וגורמת לכ- 20% מכלל מקרי המוות הקשורים בנגיף איידס, על פי הצהרה של UCSF. Madhani ועמיתיו מבלים את ימיהם בחיפוש אחר הקוד הגנטי של C. neoformansבחיפוש אחר גנים קריטיים המסייעים לשמרים לפלוש לתאים אנושיים. אך הצוות הופתע כאשר התפרסמו דיווחים שהצביעו על כך שהחומר הגנטי מגיע מעוטר בקבוצות מתיל.

"כשלמדנו היה מתילציה של DNA ... חשבתי, עלינו להסתכל על זה, בלי לדעת בכלל מה נמצא ", אמר מאדאני.

בחוליות וצמחים תאים מוסיפים קבוצות מתיל ל- DNA בעזרת שני אנזימים. הראשון, המכונה "דה נובו מתילטרנספרז", דבק בקבוצות מתיל על גנים לא מעוטרים. פלפלים אנזים כל מחצית גדיל ה- DNA בצורת הליל עם אותה תבנית של קבוצות מתיל, ויוצרים עיצוב סימטרי. במהלך חלוקת תאים, הסליל הכפול פורש ובונה שני גדילי DNA חדשים מהחצאים התואמים. בנקודה זו, אנזים המכונה "תחזוקת מתילטרנספרז" עובר בכדי להעתיק את כל קבוצות המתיל מהגדיל המקורי לחצי שנבנה לאחרונה.

מדאני ועמיתיו בדקו עצים אבולוציוניים קיימים כדי להתחקות אחר ההיסטוריה של C. neoformans לאורך זמן ומצא שבמהלך תקופת הקרטיקון, לאב הקדמון של השמרים היו שני אנזימים הנדרשים למתילציה של DNA. אבל איפשהו לאורך הקו, C. neoformans איבד את הגן הדרוש לייצור דה-נובו מתילטרנספרז. ללא האנזים, האורגניזם לא יכול היה עוד להוסיף קבוצות מתיל חדשות ל- DNA שלו - הוא יכול היה להעתיק רק קבוצות מתיל קיימות באמצעות אנזים התחזוקה שלו.

בתיאוריה, אפילו לעבוד לבד, אנזים התחזוקה יכול להחזיק את ה- DNA מכוסה בקבוצות מתיל ללא הגבלת זמן - אם הוא יכול להפיק עותק מושלם בכל פעם.

במציאות, האנזים עושה טעויות ומאבד את עקבות קבוצות המתיל בכל פעם שהתא מתחלק, מצא הצוות. כאשר מגדלים אותו בכלי פטרי, C. neoformans תאים צברו מדי פעם קבוצות מתיל חדשות במקרה אקראי, בדומה לאופן בו מוטציות אקראיות מתעוררות ב- DNA. עם זאת, התאים איבדו קבוצות מתיל מהר יותר פי 20 מכפי שיכלו להשיג חדשות.

בתוך כ -7,500 דורות, כל קבוצת מתיל אחרונה הייתה נעלמת, ולא משאירה לאנזים התחזוקה שום דבר להעתיק, העריך הצוות. בהתחשב במהירות שבה C. neoformans מכפילה, השמרים היו צריכים לאבד את כל קבוצות המתיל שלה בתוך כ -130 שנה. במקום זאת, היא שמרה על עריכות האפיגנטיות במשך עשרות מיליוני שנים.

"מכיוון ששיעור ההפסד גבוה משיעור הרווח, המערכת הייתה מאבדת לאט מתילציה לאורך זמן אם לא היה מנגנון לשמור אותה שם," אמרה מדאני. המנגנון הזה הוא בחירה טבעית, אמר. במילים אחרות, למרות C. neoformans הוא צבר קבוצות מתיל חדשות לאט הרבה יותר ממה שאיבד אותן, מתילציה הגדילה באופן דרמטי את "הכושר" של האורגניזם, מה שאומר שהוא יכול היה להשלים אנשים עם פחות מתילציה. אנשים "מתאימים" גברו על אלה עם פחות קבוצות מתיל, וכך רמות המתילציה נותרו גבוהות יותר ממיליוני שנים. אבל איזה יתרון אבולוציוני יכולות קבוצות המתיל הללו להציע C. neoformans? ובכן, הם עשויים להגן על הגנום של השמרים מפני נזק קטלני שעלול, אמר מדאני.

טרנספוזונים, הידועים גם כ"גנים קופצים ", מקפצים סביב הגנום בגחמה ולעתים קרובות מכניסים עצמם למקומות מאוד לא נוחים. למשל, טרנספוזון יכול לזנק למרכז הגן הנדרש להישרדות התא; התא יכול לתפקד או למות. למזלם, קבוצות מתיל יכולות לתפוס טרנספוזונים ולנעול אותם במקום. יכול להיות שזה C. neoformans מדנהני שומרת על רמה מסוימת של מתילציה של די.אן.איי כדי לשמור על טרנספוזונים.

"אף אתר אינדיבידואלי אינו חשוב במיוחד, אך הצפיפות הכללית של מתילציה על טרנספוזונים נבחרת" על פני טווחי זמן אבולוציוניים, הוסיף. "אותו הדבר כנראה נכון בגנום שלנו."

תעלומות רבות עדיין מקיפות מתילציה של DNA ב C. neoformans. מלבד העתקת קבוצות מתיל בין גדילי DNA, נראה כי תחזוקת מתיל-טרנספרז חשובה כשמדובר באופן בו השמרים גורמים לזיהומים בבני אדם, כך עולה ממחקר שנערך על ידי Madhani ב -2008. ללא האנזים שלם, האורגניזם אינו יכול לפרוץ לתאים בצורה יעילה. "אין לנו מושג למה זה נדרש לזיהום יעיל," אמר מדאני.

האנזים גם דורש כמויות גדולות של אנרגיה כימית כדי לתפקד ורק מעתיק קבוצות מתיל לחצי הריק של גדילי ה- DNA המשוכפלים. לשם השוואה, האנזים המקביל באורגניזמים אחרים אינו דורש אנרגיה נוספת בכדי לתפקד ולעיתים מתקיים אינטראקציה עם DNA עירום, נטול כל קבוצות מתיל, כך עולה מדו"ח שפורסם בשרת ההדפס הקדמי bioRxiv. מחקר נוסף יגלה בדיוק כיצד מתילציה עובדת C. neoformansוהאם צורת האבולוציה החדשה הזו מופיעה באורגניזמים אחרים.