Область эволюционной биологии видела свою долю оживленных дебатов. Но если есть один принцип, с которым согласны практически все эксперты в этой области, так это то, что естественный отбор происходит на уровне генома.
Но теперь исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнаружила первое убедительное доказательство того, что отбор может также происходить на уровне эпигенома - термин, который относится к набору химических «аннотаций» к геному, которые определяют, активируются ли гены, когда и в какой степени - и делали это на протяжении десятков миллионов лет. Это беспрецедентное открытие ниспровергает широко распространенное представление о том, что в геологических масштабах времени естественный отбор действует исключительно на изменчивость самой последовательности генома.
В исследовании, опубликованном 16 января 2020 года в журнале Cell, исследователи показывают, что Cryptococcus neoformans - патогенные дрожжи, которые заражают людей с ослабленной иммунной системой и ответственны примерно за 20 процентов всех связанных с ВИЧ/СПИДом deaths - содержит особую эпигенетическую «метку» в своей последовательности ДНК, которая, исходя из их лабораторных экспериментов и статистических моделей, должна была исчезнуть из вида где-то в эпоху динозавров.
Но исследование показывает, что эта метка метилирования, названная так потому, что она создана в результате процесса, прикрепляющего молекулярную метку, называемую метильной группой, к геному, умудрялась сохраняться по крайней мере 50 миллионов лет, а может быть, и дольше. как 150 миллионов лет - после предсказанного срока годности. Этот удивительный подвиг эволюционной стойкости стал возможен благодаря необычному ферменту и огромной дозе естественного отбора.
«Мы видели, что метилирование может претерпевать естественные вариации и может быть выбрано в масштабах времени более миллиона лет для управления эволюцией», - объяснил Хитен Мадхани, доктор медицинских наук, профессор биохимии и биофизики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. старший автор нового исследования. «Это ранее недооцененный способ эволюции, который не основан на изменениях в последовательности ДНК организма».
Хотя метилирование ДНК встречается не у всех форм жизни, это не редкость. Он обнаружен у всех позвоночных и растений, а также у многих грибов и насекомых. Однако у некоторых видов метилирование отсутствует.
«Метилирование имеет фрагментарное эволюционное присутствие», - сказал Мадхани, который также является членом UCSF Helen Diller Family Comprehensive Cancer Center и исследователем Chan-Zuckerberg Biohub. «В зависимости от того, на какую ветвь эволюционного дерева вы смотрите, различные эпигенетические механизмы сохранялись или не поддерживались."
Многие модельные организмы, являющиеся основным продуктом современной лаборатории молекулярной биологии, в том числе пекарские дрожжи S. cerevisiae, круглые черви C. elegans и плодовые мушки D. melanogaster, полностью лишены метилирования ДНК. Эти виды произошли от древних предков, которые потеряли ферменты, которые до публикации этого исследования считались необходимыми 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. Одной из них была так называемая «метилтрансфераза de novo», которая отвечала за добавление меток метилирования к «голой» ДНК, в которой их не было. Другой была «поддерживающая метилтрансфераза», которая функционировала немного как молекулярный ксерокс. Этот фермент копировал существующие метки метилирования, которые были введены метилтрансферазой de novo, на неметилированную ДНК во время репликации ДНК. И, как и у любого другого вида с эпигеномом, включающим метилирование, у предка C. neoformans были оба типа метилтрансфераз.
Но затем, где-то в эпоху динозавров, предок C. neoformans утратил свой фермент de novo. С тех пор его потомки живут без него, что делает C. neoformans и его ближайших родственников единственными живыми видами, у которых, как известно, метилирование ДНК происходит без метилтрансферазы de novo. «Мы не понимали, как метилирование могло существовать с мелового периода без фермента de novo», - сказал Мадхани.
Хотя поддерживающая метилтрансфераза все еще была доступна для копирования любых существующих меток метилирования - и новое исследование ясно демонстрирует, что этот фермент уникален среди подобных ферментов по ряду причин, включая его способность распространять существующие метки метилирования с исключительно высокой достоверность - исследование также показывает, что, если бы естественный отбор не действовал для сохранения метилирования, древняя потеря метилтрансферазы de novo должна была привести к быстрой гибели и, в конечном итоге, к исчезновению метилирования ДНК у C.неоформаны.
Это потому, что метки метилирования 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 оставит поддерживающий фермент без матрицы для работы.. Хотя вполне возможно, что эти события потери могут происходить медленными темпами, экспериментальные наблюдения позволили исследователям определить, что каждая метка метилирования в C. neoformans, вероятно, исчезнет у половины популяции всего через 7500 поколений. Даже если предположить, что по какой-то причине C. neoformans может размножаться в дикой природе в 100 раз медленнее, чем в лаборатории, это все равно будет эквивалентно всего 130 годам.
Редкое и случайное приобретение новых меток метилирования также не может объяснить сохранение метилирования у C. neoformans. Лабораторные эксперименты исследователей показали, что новые метки метилирования возникают случайно со скоростью в 20 раз медленнее, чем потери метилирования. В эволюционных масштабах потери явно преобладали бы, и без фермента de novo для компенсации метилирование исчезло бы у C. neoformans примерно в то же время, когда исчезли динозавры, если бы не давление отбора, благоприятствующее меткам.
На самом деле, когда исследователи сравнили различные штаммы C. neoformans, которые, как известно, отделились друг от друга почти 5 миллионов лет назад, они обнаружили, что не только все штаммы все еще имеют метилирование ДНК, но и метки метилирования покрывали аналогичные области генома, и это открытие предполагает, что метки метилирования в определенных участках генома дают некое преимущество в выживании, для которого и проводится отбор.
«Естественный отбор поддерживает метилирование на гораздо более высоких уровнях, чем можно было бы ожидать от нейтрального процесса случайных приобретений и потерь. Это эпигенетический эквивалент дарвиновской эволюции», - сказал Мадхани.
На вопрос, почему эволюция выбрала именно эти метки, Мадхани объяснил, что «одной из основных функций метилирования является защита генома. В данном случае мы думаем, что оно предназначено для подавления транспозонов».
Транспозоны, также известные как прыгающие гены, представляют собой участки ДНК, способные извлекать себя из одной части генома и встраиваться в другую. Если бы транспозон вставился в середину гена, необходимого для выживания, этот ген мог бы больше не функционировать, и клетка погибла бы. Таким образом, метилирование, подавляющее транспозоны, дает очевидное преимущество в выживании, а это как раз то, что необходимо для развития эволюции.
Однако еще предстоит выяснить, насколько распространена эта недооцененная форма естественного отбора среди других видов.
«Ранее не было доказательств того, что такой отбор происходит в этих временных масштабах. Это совершенно новая концепция», - сказал Мадхани. «Но теперь большой вопрос: «Происходит ли это вне этих исключительных обстоятельств, и если да, то как мы это обнаружим?»
Дополнительные авторы: Сандра Катания, Филипп А. Думесик, Кейтлин И. Стоддард, Джордан Э. Берк, Софи Кук и Гита Дж. Нарликар из Калифорнийского университета в Сан-Франциско; 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 Исследовательского института Скриппса; и Терренс Ши, Элизабет Гейнджер, Роберт Линтнер и Кристина А. Куомо из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда.