Nou mod de evoluţie în studii asupra drojdiei

Procesul de evoluție și selecție naturală are loc la nivelul ADN-ului, prin mutații genetice care permit păstrarea anumitor trăsături și eliminarea altora de-a lungul timpului. Recent, o echipă de cercetători a descoperit că evoluția poate avea loc la o scară diferită, nu doar prin gene, ci și prin molecule care se atașează de acestea, conform unui articol publicat de Live Science.

Aceste molecule, denumite grupări metil, influențează structura ADN-ului, având capacitatea de a activa sau bloca anumite gene. Aceste modificări sunt cunoscute sub numele de modificări epigenetice, ceea ce sugerează că ele se desfășoară „deasupra” sau „peste” genom. Multe organisme, inclusiv oamenii, au ADN-ul presărat cu grupări metil, dar există și specii, precum musculița de oțet sau nematodele, care au pierdut genele necesare pentru a le produce.

Un exemplu interesant este drojdia Cryptococcus neoformans, care a pierdut gene esențiale pentru metilare în perioada Cretacică, acum aproximativ 150-50 de milioane de ani. Cu toate acestea, această drojdie a reușit să păstreze grupările metil pe genomul său. Cercetătorii consideră că C. neoformans a reușit să mențină aceste modificări epigenetice timp de zeci de milioane de ani datorită unui mecanism evolutiv recent descoperit, conform unui studiu publicat pe 16 ianuarie în revista Cell.

Dr. Hiten Madhani, profesor de biochimie și biofizică la Universitatea California din San Francisco și lider al echipei de cercetare, a declarat că nu se așteptau să descopere un aspect atât de bine păstrat al evoluției. Echipa sa studiază C. neoformans pentru a înțelege mai bine cum această drojdie provoacă meningită fungică la oameni, având în vedere că fungii afectează în special persoanele cu sisteme imunitare compromise, contribuind la aproximativ 20% din decesele în rândul pacienților cu HIV/SIDA.

În cadrul cercetării, echipa a analizat codul genetic al drojdiei, căutând genele care facilitează invazia celulelor umane. Surpriza a fost că materialul genetic era „ornat” cu grupări metil. „Când am descoperit că C. neoformans are metilare ADN, am realizat că trebuie să investigăm mai în detaliu, fără să știu la ce să mă aștept”, a adăugat Madhani.

La vertebrate și plante, grupările metil sunt adăugate ADN-ului prin intermediul a două enzime. Prima, numită „de novo metiltransferază”, fixează grupări metil pe genele neacoperite. Această enzimă creează un model simetric pe fiecare jumătate a catenei ADN. În timpul diviziunii celulare, catena dublu-helix se desface, iar o enzimă numită „metiltransferază de întreținere” copiază grupările metil de pe catena originală pe noua jumătate.

Conform lui Madhani, strămoșul drojdiei C. neoformans avea ambele enzime necesare metilării ADN-ului în perioada Cretacică. Ulterior, C. neoformans a pierdut gena pentru a produce enzima de novo metiltransferază, ceea ce înseamnă că nu mai poate adăuga noi grupări metil, ci doar copia pe cele existente cu ajutorul enzimei de întreținere.

Teoretic, enzima de întreținere ar putea menține grupările metil pe termen lung, atâta timp cât produce copii exacte. Totuși, în realitate, aceasta face erori și pierde grupările metil în timpul diviziunii celulare. În culturi de laborator, C. neoformans poate obține ocazional noi grupări metil, dar aceste celule își pierd grupările de aproximativ 20 de ori mai repede decât pot obține altele noi.

În aproximativ 7.500 de generații, fiecare grupare metilică ar fi trebuit să dispară, iar enzima de întreținere nu ar mai fi avut ce să copieze. Având în vedere rata de reproducere a C. neoformans, aceasta ar fi trebuit să piardă toate grupările metil în aproximativ 130 de ani. Totuși, a reușit să păstreze aceste caracteristici epigenetice timp de milioane de ani.

„Dacă rata de pierdere este mai mare decât cea de câștig, sistemul ar fi trebuit să-și piardă metilarea în timp, dacă nu ar fi existat un mecanism care să o mențină. Acest mecanism este selecția naturală”, afirmă Madhani. Astfel, chiar dacă drojdia C. neoformans obține noi grupări metil mai lent decât le pierde, metilarea a crescut semnificativ „fitness-ul” organismului, permițându-i să concureze cu indivizii cu mai puține grupări de metilare. Indivizii „fit” au prevalat, menținând astfel nivelurile ridicate de metilare pe parcursul milioanelor de ani. Dar care este avantajul evolutiv al acestor grupări metil? Madhani sugerează că ele protejează genomul drojdiei de posibile daune letale.

Transpozonii, cunoscuți și sub denumirea de „gene săltărețe”, se deplasează aleatoriu în genom și pot provoca probleme atunci când ajung în gene esențiale pentru supraviețuire. Din fericire, grupările metil pot bloca acești transpozoni, menținându-i în loc. Este posibil ca C. neoformans să mențină un anumit nivel de metilare ADN pentru a controla transpozonii.

„Niciun singur grup de metilare nu este deosebit de important, dar densitatea totală de metilare pe transpozonii este ceea ce este selectat pe parcursul unor perioade lungi de timp, la scară evolutivă. Același lucru este probabil valabil și pentru genomul uman”, afirmă Madhani.

Încă mai există multe întrebări nerezolvate legate de metilarea ADN-ului la C. neoformans. Pe lângă copierea grupărilor metilice între catenele ADN, enzima metiltransferază de întreținere pare să joace un rol crucial în modul în care drojdia provoacă infecții la oameni, conform unui studiu anterior realizat de Madhani în 2008.

Această enzimă necesită cantități semnificative de energie pentru a funcționa corect și a copia grupările metilice pe jumătatea neacoperită a catenei ADN replicate. Spre deosebire de enzimele similare din alte organisme, care nu necesită energie suplimentară, enzima de întreținere interacționează direct cu ADN-ul gol. Studiile viitoare vor clarifica modul în care procesul de metilare funcționează în cazul drojdiei C. neoformans și dacă această formă recent descoperită de evoluție se regăsește și în alte organisme.

Sursa: Financiarul.ro.