L’evoluzione e la selezione naturale avvengono a livello del DNA, poiché i geni mutano e i tratti genetici rimangono o si perdono nel tempo. Ora, però, gli scienziati pensano che l’evoluzione possa avvenire su una scala completamente diversa, trasmessa non attraverso i geni, ma attraverso molecole attaccate alle loro superfici.
Queste molecole, note come gruppi metilici, alterano la struttura del DNA e possono attivare e disattivare i geni. Le alterazioni sono note come “modificazioni epigenetiche”, nel senso che appaiono “sopra” o “sopra” il genoma. Molti organismi, inclusi gli esseri umani, hanno il DNA punteggiato di gruppi metilici, ma creature come moscerini della frutta e nematodi hanno perso i geni necessari per la metilazione.
Anche un altro organismo, il lievito Cryptococcus neoformans, ha perso i geni chiave per la metilazione durante il periodo Cretaceo, tra 50 e 150 milioni di anni fa. Ma sorprendentemente, nella sua forma attuale, il fungo ha ancora gruppi metilici nel suo genoma. Per spiegare questa anomalia, gli scienziati teorizzano che C. neoformans sia stato in grado di mantenere le modifiche epigenetiche per decine di milioni di anni, grazie a una nuova modalità di evoluzione.
I ricercatori dietro lo studio non si aspettavano di scoprire un segreto dell’evoluzione, ha dichiarato l’autore senior Dr. Hiten Madhani, professore di biochimica e biofisica presso l’Università della California, San Francisco, e ricercatore principale presso il Chan Zuckerberg Biohub.
Solitamente il team studia C. neoformans per capire meglio come il lievito provoca la meningite fungina negli esseri umani. Questo fungo tende a infettare le persone con un sistema immunitario debole e causa circa il 20% di tutti i decessi correlati all’HIV/AIDS, secondo una dichiarazione dell’UCSF.
Madhani ed i suoi colleghi trascorrono le loro giornate scavando nel codice genetico del C. neoformans, alla ricerca dei geni critici che aiutano il lievito ad invadere le cellule umane. Grande è stata la sorpresa quando sono emersi rapporti che suggerivano che il materiale genetico di questo fungo fosse adornato con gruppi metilici.
“Quando abbiamo appreso che C. neoformans aveva la metilazione del DNA ho pensato che fosse necessario approfondire gli studi su questo fatto”, ha detto Madhani.
Nei vertebrati e nelle piante, le cellule aggiungono gruppi metilici al DNA con l’aiuto di due enzimi. Il primo, chiamato “de novo metiltransferasi”, attacca gruppi metilici su geni disadorni. L’enzima aggiunge a metà del filamento di DNA a forma di elicalo stesso modello di gruppi metilici, creando un disegno simmetrico. Durante la divisione cellulare, la doppia elica si dispiega e costruisce due nuovi filamenti di DNA dalle metà corrispondenti. A questo punto, un enzima chiamato “metiltransferasi di mantenimento” interviene per copiare tutti i gruppi metilici dal filamento originale sulla metà appena costruita.
Madhani ed i suoi colleghi hanno esaminato gli alberi evolutivi esistenti per tracciare la storia di C. neoformans nel tempo e hanno scoperto che, durante il periodo Cretaceo, l’antenato del lievito aveva entrambi gli enzimi necessari per la metilazione del DNA ma, ad un certo punto, C. neoformans ha perso il gene necessario per produrre l’enzima “de novo metiltransferasi”. Senza questo enzima, l’organismo non ha più potuto aggiungere nuovi gruppi metilici al suo DNA, mantenendo, però, la capacità di copiare i gruppi metilici esistenti usando il suo enzima di mantenimento.
In teoria, anche lavorando da solo, l’enzima di mantenimento potrebbe mantenere il DNA coperto di gruppi metilici a tempo indeterminato, se potesse produrre una copia perfetta ogni volta.
In realtà, il team ha scoperto che l’enzima commette errori e perde traccia dei gruppi metilici ogni volta che la cellula si divide. Quando vengono allevate in una capsula di Petri, le cellule di C. neoformans acquisiscono occasionalmente nuovi gruppi metilici per caso, in modo simile a come si verificano mutazioni casuali nel DNA. Tuttavia, le cellule nel tempo hanno perso i gruppi metilici circa 20 volte più velocemente di quanti ne ha ottenuti con le mutazionei casuali.
Secondo le stime del team, entro circa 7.500 generazioni, l’ultimo gruppo metilico sarebbe dovuto scmparire, lasciando all’enzima di mantenimento nulla da copiare. Data la velocità con cui si moltiplica C. neoformans, quindi, il lievito dovrebbe aver perso tutti i suoi gruppi metilici entro circa 130 anni. Invece, ha mantenuto le modifiche epigenetiche per decine di milioni di anni.
“Poiché il tasso di perdita è superiore al tasso di guadagno, il sistema dovrebbe aver perso la metilazione nel tempo senza un meccanismo specifico per mantenerla”, ha detto Madhani.
A quanto pare, il meccanismo in oggetto è stata la selezione naturale, ha spiegato il ricercatore. In altre parole, anche se C. neoformans stava guadagnando nuovi gruppi metilici molto più lentamente di quanto non li perdeva, la metilazione aumentava notevolmente la “forma fisica” dell’organismo, il che significa che permetteva agli individui che ne erano dotati di essere più efficienti degli individui con meno metilazione. Gli individui “in forma” hanno prevalso su quelli con meno gruppi metilici e, quindi, i livelli di metilazione sono rimasti più alti per milioni di anni.
Ma quale vantaggio evolutivo hanno offerto questi gruppi metilici a C. neoformans? Bene, sembra che possano proteggere il genoma del lievito da danni potenzialmente letali, come sostiene Madhani.
I trasposoni, noti anche come “geni che saltano”, saltano intorno al genoma a capriccio e spesso si inseriscono in posti molto scomodi. Ad esempio, un trasposone potrebbe saltare al centro di un gene necessario per la sopravvivenza cellulare; quella cellula potrebbe funzionare male o morire. Fortunatamente, i gruppi metilici possono afferrare i trasposoni e bloccarli in posizione. Può darsi che C. neoformans mantenga un certo livello di metilazione del DNA per tenere sotto controllo i trasposoni, ha ipotizzato Madhani.
“Nessun singolo sito di metilazione è particolarmente importante, ma la densità complessiva della metilazione sui trasposoni è selezionata su scale temporali evolutive”, ha aggiunto. “La stessa cosa potrebbe accadere nei nostri genomi”.
Molti misteri circondano ancora la metilazione del DNA in C. neoformans. Oltre a copiare i gruppi metilici tra i filamenti di DNA, la metiltransferasi di mantenimento sembra essere importante nel rendere il lievito capace di causare infezioni negli esseri umani, secondo uno studio del 2008 di Madhani. Senza l’enzima intatto, l’organismo non può penetrare nelle cellule in modo altrettanto efficace.
L’enzima richiede anche grandi quantità di energia chimica per funzionare e copia solo i gruppi metilici sulla metà vuota dei filamenti di DNA replicati. In confronto, l’enzima equivalente in altri organismi non richiede energia extra per funzionare e talvolta interagisce con il DNA nudo, privo di gruppi metilici.
A questo punto, saranno necessarie ulteriori ricerche per capire esattamente come funziona la metilazione in C. neoformans e se questa nuova forma di evoluzione appare in altri organismi.
Fonte: Cell
