不要別的,只要科學

通過DNA表面的分子


科學家發現了一種不依賴於DNA的自然選擇方式

新浪科技訊

這些分子被稱為甲基(methyl

另一種生物,新型隱球菌(Cryptococcus

美國加州大學舊金山分校生物化學和生物物理學教授、陳-紮克伯格生物中心(Chan

該研究小組之所以研究新型隱球菌,主要是為了更好地了解這種酵母菌如何導致人類患上真菌性腦膜炎。據加州大學舊金山分校的一份聲明稱,這種真菌往往會感染免疫系統脆弱的人,導致大約20%的艾滋病相關死亡。Madhani和同事們花了大量的時間來挖掘新型隱球菌的遺傳密碼,尋找幫助該酵母入侵人類細胞的關鍵基因。然而,當有報道稱,這種真菌的基因物質可被甲基修飾時,研究小組感到十分驚訝。

Madhani說:「當我們知道新型隱球菌具有DNA甲基化時……我覺得,我們必須了解一下,我們完全不知道會發現什麼。」

在脊椎動物和植物中,細胞可以在兩種酶的幫助下向DNA中添加甲基。第一種酶是「DNA從頭甲基化酶」(de

Madhani和同事們通過觀察現有的演化樹來追溯新型隱球菌的曆史,發現在白堊紀時期,這種酵母的祖先同時擁有DNA甲基化所需的兩種酶。但是,在演化曆史的某個位置,新型隱球菌失去了制造DNA從頭甲基化酶所需的基因。沒有這種酶,有機體就再也不能向DNA添加新的甲基了,而是只能用DNA甲基化維持酶來複制現有的甲基。

從理論上講,即使是單獨工作,這種維持酶也可以使DNA的甲基化無限期地存在——如果每次都能產生一個完美拷貝的話。

研究小組發現,實際上,這種酶在每次細胞分裂時都會出錯,並失去甲基的蹤跡。在有蓋培養皿中培養時,新型隱球菌細胞偶爾會隨機獲得新的甲基,這與DNA中的隨機突變類似。然而,細胞失去甲基的速度比獲得新甲基的速度快了20倍。

研究小組估計,在大約7500代的時間裏,全部甲基都會消失,使得維持酶無法再進行複制。考慮到新型隱球菌繁殖的速度,這種酵母在大約130年內就會失去所有的甲基。然而,現實恰恰相反,新型隱球菌保留了數千萬年的表觀遺傳編輯。

Madhani說:「由於甲基化的損失率高於獲得率,因此如果沒有一種機制來維持甲基化,那麼隨著時間的推移,這個甲基化系統將慢慢消失。」他指出,這種機制其實就是自然選擇。換句話說,盡管新型隱球菌獲得新甲基的速度比失去的速度慢得多,但甲基化極大提高了有機體的「適應性」,這意味著它們可以在競爭中勝過甲基化程度較低的個體。「適應」的個體比甲基少的個體更占優勢,因此,新型隱球菌的甲基化水平在數百萬年裏一直保持較高水平。但是,這些甲基能給新物種帶來什麼樣的演化優勢呢?Madhani表示,甲基可能會保護酵母的基因組免受潛在的致命傷害。

轉座子,也被稱為「跳躍基因」,是一類可以隨心所欲地在基因組中跳來跳去的DNA序列。它們還經常把自己插入非常「不方便」的位置。例如,轉座子可以跳躍到細胞生存所必需的基因中間,導致那個細胞失能或死亡。幸運的是,甲基可以抓住轉座子並將其固定。Madhani表示,新型隱球菌之所以維持了一定水平的DNA甲基化,可能就是為了控制轉座子。

「沒有哪一個單獨的<甲基化>位點特別重要,但在演化的時間尺度上,整體的甲基化密度對轉座子進行了選擇,」Madhani補充道,「在我們的基因組中,情況可能也是如此。」

新型隱球菌的DNA甲基化仍然縈繞在許多未解之謎。根據Madhani

DNA甲基化維持酶還需要大量的化學能才能發揮作用,並且只能將甲基複制到已複制DNA鏈的空白部分。相比之下,根據預印本網站bioRxiv上發布的一份報告,其他生物體內的這種酶不需要額外的能量就能發揮作用,有時還會與沒有任何甲基的DNA相互作用。進一步的研究將揭示甲基化是如何在新型隱球菌細胞發揮作用,以及這種新發現的演化形式是否會出現在其他生物體中。(任天)


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