«Живое ископаемое» может разрушить основной принцип эволюционной теории

Область эволюционной биологии видела свою долю оживленных дебатов. Но если есть один принцип, с которым согласен практически каждый специалист в данной области, это то, что естественный отбор происходит на уровне генома.

Но теперь исследовательская группа, возглавляемая Калифорнийским университетом в Сан-Франциско, обнаружила первые убедительные доказательства того, что отбор также может происходить на уровне эпигенома — термин, который относится к ассортименту химических «аннотаций» к геному, которые определяют, когда и в какой степени гены активируются — и это происходит в течение десятков миллионов лет. Это беспрецедентное открытие подрывает широко распространенное мнение о том, что в геологических временных масштабах естественный отбор действует исключительно на вариации самой последовательности генома.

В исследовании, опубликованном 16 января 2020 года в журнале Cell , исследователи показывают, что Cryptococcus neoformans — патогенные дрожжи, поражающие людей с ослабленной иммунной системой и являющиеся причиной около 20 процентов всех смертей, связанных с ВИЧ / СПИДом, — содержит определенный эпигенетический «знак» на его последовательности ДНК, который, основываясь на их лабораторных экспериментах и ​​статистических моделях, должен был исчезнуть из вида где-то в возрасте динозавров.

Но исследование показывает, что этот знак метилирования — названный так потому, что он создан с помощью процесса, который присоединяет молекулярную метку, называемую метильной группой, к геному — сумел остаться в течение, по крайней мере, 50 миллионов лет — возможно, до 150 миллион лет — после его предполагаемого срока годности. Этот удивительный подвиг эволюционного упорства стал возможен благодаря необычному ферменту и огромной дозе естественного отбора.

«То, что мы видели, — это то, что метилирование может подвергаться естественным изменениям и может быть выбрано на протяжении миллионов лет, чтобы стимулировать эволюцию», — пояснил Хитен Мадхани, доктор медицинских наук, профессор биохимии и биофизики в UCSF и старший автор нового исследование. «Это ранее недооцененный способ эволюции, который не основан на изменениях в последовательности ДНК организма».

Хотя метилирование ДНК встречается не во всех формах жизни, оно также не редкость. Он встречается у всех позвоночных и растений, а также у многих грибов и насекомых. Однако у некоторых видов метилирование нигде не обнаружено.

«Метилирование имеет неоднозначное эволюционное присутствие», — сказал Мадхани, который также является членом Центра лечения рака семьи Хелен Диллер из UCSF и исследователем Чана-Цукерберга. «В зависимости от того, на какую ветвь эволюционного дерева вы смотрите, разные эпигенетические механизмы поддерживаются или не поддерживаются».

Многие модельные организмы, являющиеся основными продуктами современной лаборатории молекулярной биологии, в том числе пекарские дрожжи S. cerevisiae , круглые черви C. elegans и плодовая муха D. melanogaster, полностью лишены метилирования ДНК. Эти виды произошли от древних предков, которые потеряли ферменты, которые до публикации этого исследования считались важными для распространения метилирования из поколения в поколение. Как C. neoformans удалось избежать той же участи, до сих пор оставалось загадкой.

В новом исследовании Мадхани и его сотрудники показывают, что сотни миллионов лет назад у предка C. neoformans было два фермента, которые контролировали метилирование ДНК. Одним из них было то, что известно как «de novo метилтрансфераза», которая отвечала за добавление меток метилирования в «голую» ДНК, которой не было. Другой была «поддерживающая метилтрансфераза», которая функционировала как молекулярный ксерокс. Этот фермент копировал существующие метилированные метки, которые были установлены de novo метилтрансферазой, на неметилированную ДНК во время репликации ДНК. И, как и у любого другого вида с эпигеномом, который включает метилирование, у предка C. neoformans были оба типа метилтрансферазы.

Но потом, когда-то в эпоху динозавров, предок C. neoformans потерял свой фермент de novo. С тех пор его потомки живут без одного, что делает C. neoformans и его ближайших родственников единственным живым видом, имеющим сегодня метилирование ДНК без метилтрансферазы de novo. «Мы не понимали, как метилирование все еще может иметь место с мелового периода без фермента de novo», — сказал Мадхани.

Хотя поддерживающая метилтрансфераза все еще была доступна для копирования любых существующих метилирующих меток — и новое исследование ясно демонстрирует, что этот фермент является уникальным среди таких ферментов по ряду причин, включая его способность размножать существующие метки метилирования с исключительно высокой точностью — Исследование также показывает, что если естественный отбор не действует для сохранения метилирования, древняя потеря de novo метилтрансферазы должна была привести к быстрому исчезновению и возможному исчезновению метилирования ДНК у C. neoformans .

Это связано с тем, что метилированные метки могут быть потеряны случайным образом, а это означает, что независимо от того, насколько тщательно поддерживающая метилтрансфераза копирует существующие метки на новые нити ДНК, накопленная потеря метилирования в конечном итоге приведет к тому, что поддерживающий фермент не будет работать с шаблоном. Хотя вполне возможно, что эти события потери могут происходить в медленном темпе, экспериментальные наблюдения позволили исследователям установить, что каждый знак метилирования у C. neoformans, вероятно, исчезнет из половины популяции только через 7500 поколений. Даже если предположить, что C. neoformans по какой-то причине может размножаться в дикой природе в 100 раз медленнее, чем в лаборатории, это все равно будет эквивалентно всего 130 годам.

Редкое и случайное обнаружение новых метилирующих меток не может объяснить постоянство метилирования у C. neoformans . Лабораторные эксперименты исследователей показали, что новые метилирующие метки возникают случайно со скоростью, в 20 раз меньшей, чем потери метилирования. На эволюционных временных масштабах потери будут явно преобладать, и без компенсации фермента de novo метилирование исчезнет у C. neoformans примерно в то время, когда исчезли динозавры, если бы не давление отбора, благоприятствующее меткам.

Фактически, когда исследователи сравнили множество штаммов C. neoformans , о которых известно, что они отличались друг от друга почти 5 миллионов лет назад, они обнаружили, что не только все штаммы все еще имеют метилирование ДНК, но и метилирующие метки покрывали аналогичные области генома, открытие, которое предполагает, что метилирующие метки в определенных геномных сайтах дают какое-то преимущество в выживании, для которого выбирают.

«Естественный отбор поддерживает метилирование на гораздо более высоких уровнях, чем можно было бы ожидать от нейтрального процесса случайных прибылей и убытков. Это эпигенетический эквивалент дарвиновской эволюции», — сказал Мадхани.

На вопрос, почему эволюция выбрала именно эти метки, Мадхани объяснил, что «одна из главных функций метилирования — защита генома. В этом случае мы думаем, что он заставляет молчать транспозоны».

Транспозоны, также известные как прыгающие гены, представляют собой отрезки ДНК, которые способны выделяться из одной части генома и вставляться в другую. Если транспозон вставит себя в середину гена, необходимого для выживания, этот ген может больше не функционировать, и клетка погибнет. Следовательно, метилирование с помощью транспозонового глушения обеспечивает очевидное преимущество выживания, которое является именно тем, что необходимо для развития эволюции.

Тем не менее, еще неизвестно, насколько распространена эта недооцененная форма естественного отбора у других видов.

«Раньше не было никаких свидетельств того, что подобный отбор происходил в этих временных масштабах. Это совершенно новая концепция», — сказал Мадхани. «Но теперь большой вопрос:« Это происходит за пределами этого исключительного обстоятельства, и если да, то как мы можем его найти? »

К числу дополнительных авторов относятся Сандра Катания, Филипп А. Думесик, Кейтлин И. Стоддард, Джордан Э. Берк, Софи Кук и Гита Дж. Нарликар из UCSF; Гарольд Пиментел и Джонатан К. Причард из Стэнфордского университета; Аммар Насиф и Петра Хайкова из Лондонского института медицинских наук MRC; Джолин К. Дидрих и Джон Р. Йейтс III из Научно-исследовательского института Скриппса; и Терранс Ши, Элизабет Гейнджер, Роберт Линтнер и Кристина А. Куомо из Института широкого профиля Массачусетского технологического института и Гарварда.

Эта работа была поддержана долгосрочной докторской стипендией EMBO, Национальными институтами здравоохранения, Советом по медицинским исследованиям Великобритании и Европейским советом по исследованиям ЕС.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Калифорнии — Сан-Франциско . Оригинал написан Джейсоном Альваресом. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Сандра Катания, Филипп А. Думесич, Гарольд Пиментел, Аммар Насиф, Кейтлин И. Стоддард, Джордан Э. Берк, Джолин К. Дидрих, Софи Кук, Терренс Ши, Элизабет Гейнджер, Роберт Линтнер, Джон Р. Йейтс, Петра Хайкова, Гита Дж. Нарликар, Кристина А. Куомо, Джонатан К. Причард, Хитен Д. Мадхани. Эволюционная стойкость метилирования ДНК в течение миллионов лет после древней потери метилтрансферазы De Novo . Cell , 2020; DOI: 10.1016 / j.cell.2019.12.012