اكتشف العلماء طريقة جديدة للتطور

يحدث التطور والانتقاء الطبيعي على مستوى الحمض النووي ، حيث تتحول الجينات وتتغير السمات الجينية أو تضيع مع مرور الوقت. لكن الآن ، يعتقد العلماء أن التطور قد يحدث على نطاق آخر بالكامل - لا ينتقل عبر الجينات ، ولكن من خلال الجزيئات العالقة على أسطحها.

هذه الجزيئات ، المعروفة باسم مجموعات الميثيل ، تغير بنية الحمض النووي ويمكن أن تقوم بتشغيل الجينات وإيقافها. تُعرف التعديلات باسم "التعديلات الجينية" ، بمعنى أنها تظهر "فوق" أو "فوق" الجينوم. تحتوي العديد من الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر ، على حمض نووي منقط مع مجموعات الميثيل ، لكن مخلوقات مثل ذباب الفاكهة والديدان المستديرة فقدت الجينات المطلوبة للقيام بذلك خلال فترة التطور.

كائن حي آخر ، الخميرة المكورات الخفية الجديدة، فقدت أيضًا الجينات الرئيسية للميثيل في وقت ما خلال العصر الطباشيري ، قبل حوالي 50 إلى 150 مليون سنة. ولكن بشكل ملحوظ ، في شكله الحالي ، لا يزال للفطر مجموعات ميثيل على الجينوم الخاص به. الآن ، يعتقد العلماء ذلك C. neoformans كانت قادرة على التمسك بالتعديلات الوراثية لعشرات الملايين من السنين ، وذلك بفضل نمط التطور الجديد ، وفقًا لدراسة نشرت في 16 يناير في مجلة Cell.

لم يتوقع الباحثون وراء الدراسة الكشف عن سر التطور الذي تم الحفاظ عليه جيدًا ، المؤلف الكبير الدكتور هيتين ماذاني ، أستاذ الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو ، والمحقق الرئيسي في Chan Zuckerberg Biohub ، قال لـ Live Science.

تدرس المجموعة عادة C. neoformans لفهم أفضل كيف تسبب الخميرة التهاب السحايا الفطري في البشر. يميل الفطر إلى إصابة الأشخاص الذين يعانون من ضعف جهاز المناعة ويسبب حوالي 20 ٪ من جميع الوفيات المرتبطة بفيروس نقص المناعة البشرية / الإيدز ، وفقًا لبيان من UCSF. يقضي مدحاني وزملاؤه أيامهم في البحث في الشفرة الوراثية لـ C. neoformansالبحث عن الجينات الحرجة التي تساعد الخميرة على غزو الخلايا البشرية. لكن الفريق فوجئ عندما ظهرت تقارير تشير إلى أن المادة الوراثية تأتي مزينة بمجموعات الميثيل.

"عندما علمنا قال مثني: "كان لدينا مثيلة للحمض النووي ... فكرت ، علينا أن ننظر إلى هذا ، ولا نعرف على الإطلاق ما سنجده".

في الفقاريات والنباتات ، تضيف الخلايا مجموعات الميثيل إلى الحمض النووي بمساعدة إنزيمين. الأول ، المسمى "de novo methyltransferase" ، يضع مجموعات الميثيل على جينات غير مزخرفة. الفلفل الإنزيم كل نصف حبلا DNA على شكل حلزون مع نفس النمط من مجموعات الميثيل ، وخلق تصميم متماثل. أثناء انقسام الخلايا ، يقوم اللولب المزدوج بتفكيك شريطين جديدين من الأنصاف المتطابقة. عند هذه النقطة ، يندفع إنزيم يسمى "صيانة ميثيل ترانسفيراز" لنسخ كل مجموعات الميثيل من الشريط الأصلي إلى النصف المبني حديثًا.

نظر Madhani وزملاؤه في الأشجار التطورية الموجودة لتتبع تاريخ C. neoformans مع مرور الوقت ، ووجدت أنه خلال العصر الطباشيري ، كان سلف الخميرة يحتوي على كلا الإنزيمات المطلوبة لميثيل الحمض النووي. ولكن في مكان ما على طول الخط ، C. neoformans فقدت الجين المطلوب لصنع دي نوفو ميثيل ترانسفيراز. بدون الإنزيم ، لم يعد الكائن الحي يضيف مجموعات ميثيل جديدة إلى حمضه النووي - يمكنه فقط نسخ مجموعات الميثيل الموجودة باستخدام إنزيم الصيانة الخاص به.

نظريًا ، حتى وإن عمل بمفرده ، يمكن أن يحافظ إنزيم الصيانة على DNA في مجموعات الميثيل إلى أجل غير مسمى - إذا كان بإمكانه إنتاج نسخة مثالية في كل مرة.

وجد الفريق في الواقع أن الإنزيم يرتكب أخطاء ويفقد مسار مجموعات الميثيل في كل مرة تنقسم فيها الخلية. عندما تربى في طبق بتري ، C. neoformans اكتسبت الخلايا أحيانًا مجموعات ميثيل جديدة عن طريق الصدفة العشوائية ، على غرار كيفية ظهور الطفرات العشوائية في الحمض النووي. ومع ذلك ، فقدت الخلايا مجموعات الميثيل أسرع بنحو 20 مرة مما يمكن أن تكسبه مجموعات جديدة.

وقدر الفريق أنه في غضون 7500 جيل تقريبًا ، ستختفي كل مجموعة ميثيل أخيرة ، تاركة إنزيم الصيانة لا شيء لنسخه. نظرا للسرعة التي C. neoformans تتكاثر ، يجب أن تفقد الخميرة جميع مجموعات الميثيل الخاصة بها في غضون 130 عامًا تقريبًا. بدلاً من ذلك ، احتفظت بتحريرها اللاجيني لعشرات الملايين من السنين.

وقال مدحاني "لأن معدل الخسارة أعلى من معدل الربح ، فإن النظام سيفقد المثيلة ببطء مع مرور الوقت إذا لم تكن هناك آلية لإبقائه هناك". وقال إن تلك الآلية هي الاختيار الطبيعي. وبعبارة أخرى ، على الرغم من ذلك C. neoformans كانت تكتسب مجموعات ميثيل جديدة بشكل أبطأ بكثير من فقدانها لها ، زادت المثيلة بشكل كبير من "لياقة" الكائن الحي ، مما يعني أنه يمكن أن يفوق الأفراد الذين يعانون من مثيلة أقل. ساد الأفراد "الملائمون" على أولئك الذين لديهم مجموعات ميثيل أقل ، وبالتالي ، ظلت مستويات المثيلة أعلى على مدى ملايين السنين. ولكن ما هي الميزة التطورية التي يمكن أن تقدمها مجموعات الميثيل C. neoformans؟؟؟ قال مدحاني: "ربما يحمون جينوم الخميرة من الأضرار المميتة المحتملة".

ينقلب ال ،روزوبونات ، المعروف أيضًا باسم "جينات القفز" ، حول الجينوم على هواه وغالبًا ما يدخل نفسه في أماكن غير ملائمة. على سبيل المثال ، يمكن أن يقفز الترانزسبوسون إلى مركز الجين المطلوب لبقاء الخلية. تلك الخلية قد تتعطل أو تموت. لحسن الحظ ، يمكن لمجموعات الميثيل أن تمسك بترانزوسونات وتثبتها في مكانها. قد يكون ذلك C. neoformans قال مدحاني إنه يحافظ على مستوى معين من مثيلة الحمض النووي لإبقاء الترانزسبونات تحت السيطرة.

وأضاف: "لا يوجد موقع فردي مهم بشكل خاص ، ولكن الكثافة الكلية للميثيل على الترانسبوزونات تم اختيارها" على مدى نطاقات زمنية تطورية. "نفس الشيء ربما يكون صحيحًا في جينوماتنا."

لا تزال العديد من الألغاز تحيط بميثيل الحمض النووي في C. neoformans. إلى جانب نسخ مجموعات الميثيل بين خيوط الحمض النووي ، يبدو أن صيانة ميثيل ترانسفيراز مهمة عندما يتعلق الأمر بكيفية تسبب الخميرة للعدوى في البشر ، وفقًا لدراسة أجرتها Madhani عام 2008. بدون أنزيم سليم ، لا يمكن للكائن الحي اختراق الخلايا بنفس الفعالية. قال مدحاني: "ليست لدينا فكرة عن سبب كونها ضرورية للعدوى الفعالة".

يتطلب الإنزيم أيضًا كميات كبيرة من الطاقة الكيميائية للعمل ولا ينسخ سوى مجموعات الميثيل إلى النصف الفارغ من خيوط الحمض النووي المنسوخ. وبالمقارنة ، لا يتطلب الإنزيم المكافئ في الكائنات الحية الأخرى طاقة إضافية للعمل وأحيانًا يتفاعل مع الحمض النووي العاري ، خاليًا من أي مجموعات ميثيل ، وفقًا لتقرير نشر على bioRxiv قبل الطباعة. سوف تكشف الأبحاث الإضافية بالضبط كيف تعمل المثيلة C. neoformans، وما إذا كان هذا الشكل الجديد من التطور يظهر في الكائنات الحية الأخرى.