Wissenschaftler haben eine Form der natürlichen Selektion entdeckt, die von der DNA unabhängig ist.
Evolution und natürliche Selektion finden auf DNA-Ebene statt, da Gene mutieren und genetische Merkmale entweder erhalten bleiben oder im Laufe der Zeit verloren gehen. Jetzt glauben Wissenschaftler, dass Evolution in einem völlig anderen Maßstab stattfinden kann – nicht durch Gene, sondern durch Moleküle, die an ihrer Oberfläche haften.
Diese als Methylgruppen bekannten Moleküle verändern die Struktur der DNA und können Gene ein- und ausschalten. Die Veränderungen werden als “epigenetische Modifikationen” bezeichnet, was bedeutet, dass sie “über” oder “über” dem Genom erscheinen. In vielen Organismen ist die DNA mit Methylgruppen übersät, aber Kreaturen wie Fruchtfliegen und Spulwürmer haben die Gene verloren, die sie benötigen.
Ein anderer Organismus, die Hefe Cryptococcus neoformans, verlor vor etwa 50 bis 150 Millionen Jahren ebenfalls Schlüsselgene für die Methylierung in der Kreidezeit. Es ist jedoch bemerkenswert, dass der Pilz in seiner gegenwärtigen Form immer noch Methylgruppen in seinem Genom hat. Laut einer theoretischen Studie, die am 16. Januar in der Zeitschrift Cell veröffentlicht wurde, konnten Wissenschaftler nun die Hypothese aufstellen, dass es C. neoformans dank einer neuen Art der Evolution gelungen ist, epigenetische Veränderungen über zig Millionen Jahre aufrechtzuerhalten.
“Wir haben nicht erwartet, dass das Geheimnis der Evolution gelüftet wird”, sagt der leitende Autor Dr. Hiten Madhani, Professor für Biochemie und Biophysik an der University of California in San Francisco.
Wissenschaftler untersuchen C. neoformans, um besser zu verstehen, wie Hefe beim Menschen Pilzmeningitis verursacht. Laut UCSF infiziert der Pilz Menschen mit einem schwachen Immunsystem und ist für etwa 20% aller HIV / AIDS-Todesfälle verantwortlich. Madhani und seine Kollegen verbringen ihre Tage damit, den genetischen Code von C. neoformans zu durchsuchen und nach den kritischen Genen zu suchen, die Hefen helfen, in menschliche Zellen einzudringen. Das Team war jedoch überrascht, als Berichte auftauchten, dass das genetische Material mit Methylgruppen dekoriert war.
'Als wir herausfanden, dass [C. neoformans] DNA-Methylierung … Ich dachte, wir sollten uns das ansehen, ohne zu wissen, was wir finden würden ', sagte Madhani.
Bei Wirbeltieren und Pflanzen fügen Zellen der DNA unter Verwendung von zwei Enzymen Methylgruppen hinzu. Die erste, De-novo-Methyltransferase genannt, bindet Methylgruppen an nicht gefärbte Gene. Das Enzym färbt jede Hälfte des helikalen DNA-Strangs mit dem gleichen Methylgruppenmuster, wodurch ein symmetrisches Design entsteht. Während der Zellteilung entfaltet sich die Doppelhelix und baut aus den entsprechenden Hälften zwei neue DNA-Stränge auf. Zu diesem Zeitpunkt beginnt ein Enzym, das als “Erhaltungsmethyltransferase” bezeichnet wird, alle Methylgruppen von der ursprünglichen Kette in die neu gebaute Hälfte zu kopieren.
Madhani und Kollegen untersuchten vorhandene Evolutionsbäume, um die Geschichte von C. neoformans im Laufe der Zeit zu verfolgen, und stellten fest, dass der Vorfahr der Hefe beide Enzyme hatte, die für die DNA-Methylierung in der Kreidezeit notwendig waren. Aber irgendwo verlor C. neoformans das Gen, das für die Herstellung der De-novo-Methyltransferase benötigt wird. Ohne das Enzym könnte der Körper seiner DNA keine neuen Methylgruppen mehr hinzufügen – er könnte nur vorhandene Methylgruppen kopieren.
Theoretisch könnte ein Erhaltungsenzym, selbst wenn er alleine arbeitet, DNA unbegrenzt in Methylgruppen halten – wenn es jedes Mal eine perfekte Kopie erstellen könnte.
Tatsächlich macht das Enzym jedes Mal Fehler und verliert Methylgruppen, wenn sich eine Zelle teilt, stellte das Team fest. Wenn C. neoformans-Zellen in einer Petrischale gezüchtet werden, erhalten sie manchmal versehentlich neue Methylgruppen, ähnlich wie zufällige Mutationen in der DNA auftreten. Zellen verloren jedoch etwa 20-mal schneller Methylgruppen, als sie neue bekommen konnten.
Das Team schätzt, dass über etwa 7.500 Generationen jede letzte Methylgruppe verschwinden wird und das Enzym nichts mehr kopieren kann. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der sich C. neoformans vermehrt, sollte die Hefe innerhalb von etwa 130 Jahren alle ihre Methylgruppen verloren haben. Stattdessen behielt er die epigenetischen Änderungen für zig Millionen Jahre bei.
Die DNA-Methylierung in C. neoformans ist noch immer von vielen Rätseln umgeben. Neben dem Kopieren von Methylgruppen zwischen DNA-Strängen scheint die Erhaltungsmethyltransferase wichtig zu sein, wenn es darum geht, wie Hefe beim Menschen Infektionen verursacht, so Madhanis Studie von 2008. Ohne ein ganzes Enzym kann der Körper nicht so effizient in Zellen eindringen.
“Wir haben keine Ahnung, warum dies für eine wirksame Infektion notwendig ist”, sagte Madhani.
Das Enzym benötigt auch viel chemische Energie, um zu funktionieren, und kopiert nur Methylgruppen in die saubere Hälfte der replizierten DNA-Stränge. Im Vergleich dazu benötigt das äquivalente Enzym in anderen Organismen keine zusätzliche Energie, um zu funktionieren, und interagiert manchmal mit nackter DNA ohne Methylgruppen. Dies geht aus einem Bericht hervor, der auf dem bioRxiv-Preprint-Server veröffentlicht wurde.
Weitere Untersuchungen werden zeigen, wie die Methylierung bei C. neoformans funktioniert und ob diese neue Form der Evolution bei anderen Organismen auftritt.
