時(shí)間：2025-12-08 21:04:54 來源：骨軟筋酥網(wǎng)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種不依賴于DNA的自然選擇方式
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)新浪科技（任天）：演化和自然選擇發(fā)生在脫氧核糖核酸（DNA）水平上，因?yàn)榛蛲蛔兒瓦z傳特征要么保留下來，家發(fā)基因要么隨時(shí)間而消失。現(xiàn)演但是化新現(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)為演化也可能發(fā)生在一個完全不同的模式尺度上，不是通過通過基因，而是表面通過附著在基因表面的分子。
這些分子被稱為甲基（methyl group），科學(xué)它們會改變DNA的家發(fā)基因結(jié)構(gòu)，并能開啟和關(guān)閉基因。現(xiàn)演這種改變被稱為“表觀遺傳修飾”，化新意味著它們出現(xiàn)在基因組的模式“上面”。包括人類在內(nèi)的通過許多生物的DNA中都點(diǎn)綴著甲基，但像果蠅和蛔蟲這樣的表面生物在演化過程中卻丟失了實(shí)現(xiàn)這一過程的基因。
另一種生物，科學(xué)新型隱球菌（Cryptococcus neoformans），一種普遍存在的酵母菌，在大約5000萬到1.5億年前的白堊紀(jì)時(shí)期也丟失了甲基化的關(guān)鍵基因。但值得注意的是，以目前的形態(tài)，這種真菌的基因組上仍然具有甲基。根據(jù)1月16日發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）雜志上的一項(xiàng)研究，現(xiàn)在科學(xué)家提出了一個理論，認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)的一種演化模式使新型隱球菌能夠在數(shù)千萬年的時(shí)間里一直保留著表觀遺傳編輯記錄。
美國加州大學(xué)舊金山分校生物化學(xué)和生物物理學(xué)教授、陳-扎克伯格生物中心（Chan Zuckerberg Biohub）首席研究員Hiten Madhani博士表示，這項(xiàng)研究背后的科學(xué)家并沒有預(yù)計(jì)能發(fā)現(xiàn)這樣一個保守得很好的演化秘密。
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(dǎo)致人類患上真菌性腦膜炎。據(jù)加州大學(xué)舊金山分校的一份聲明稱，這種真菌往往會感染免疫系統(tǒng)脆弱的人，導(dǎo)致大約20%的艾滋病相關(guān)死亡。Madhani和同事們花了大量的時(shí)間來挖掘新型隱球菌的遺傳密碼，尋找?guī)椭摻湍溉肭秩祟惣?xì)胞的關(guān)鍵基因。然而，當(dāng)有報(bào)道稱，這種真菌的基因物質(zhì)可被甲基修飾時(shí)，研究小組感到十分驚訝。
Madhani說：“當(dāng)我們知道新型隱球菌具有DNA甲基化時(shí)……我覺得，我們必須了解一下，我們完全不知道會發(fā)現(xiàn)什么。”
在脊椎動物和植物中，細(xì)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 novo methyltransferase），能將甲基附著在未修飾的基因上。這種酶在每一條螺旋狀DNA鏈上都加入了相同模式的甲基，形成了對稱的設(shè)計(jì)。在細(xì)胞分裂過程中，雙螺旋展開，并由匹配的雙鏈構(gòu)建出兩條新的DNA鏈。這時(shí)，“DNA甲基化維持酶”（maintenance methyltransferase）會突然出現(xiàn)，把所有的甲基從原來的DNA鏈上復(fù)制到新形成的DNA鏈上。
Madhani和同事們通過觀察現(xiàn)有的演化樹來追溯新型隱球菌的歷史，發(fā)現(xiàn)在白堊紀(jì)時(shí)期，這種酵母的祖先同時(shí)擁有DNA甲基化所需的兩種酶。但是，在演化歷史的某個位置，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(jī)體就再也不能向DNA添加新的甲基了，而是只能用DNA甲基化維持酶來復(fù)制現(xiàn)有的甲基。
從理論上講，即使是單獨(dú)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(chǎn)生一個完美拷貝的話。
研究小組發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，這種酶在每次細(xì)胞分裂時(shí)都會出錯，并失去甲基的蹤跡。在有蓋培養(yǎng)皿中培養(yǎng)時(shí)，新型隱球菌細(xì)胞偶爾會隨機(jī)獲得新的甲基，這與DNA中的隨機(jī)突變類似。然而，細(xì)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(jì)，在大約7500代的時(shí)間里，全部甲基都會消失，使得維持酶無法再進(jìn)行復(fù)制。考慮到新型隱球菌繁殖的速度，這種酵母在大約130年內(nèi)就會失去所有的甲基。然而，現(xiàn)實(shí)恰恰相反，新型隱球菌保留了數(shù)千萬年的表觀遺傳編輯。
Madhani說：“由于甲基化的損失率高于獲得率，因此如果沒有一種機(jī)制來維持甲基化，那么隨著時(shí)間的推移，這個甲基化系統(tǒng)將慢慢消失。”他指出，這種機(jī)制其實(shí)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(jī)體的“適應(yīng)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(yīng)”的個體比甲基少的個體更占優(yōu)勢，因此，新型隱球菌的甲基化水平在數(shù)百萬年里一直保持較高水平。但是，這些甲基能給新物種帶來什么樣的演化優(yōu)勢呢？Madhani表示，甲基可能會保護(hù)酵母的基因組免受潛在的致命傷害。
轉(zhuǎn)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(jīng)常把自己插入非常“不方便”的位置。例如，轉(zhuǎn)座子可以跳躍到細(xì)胞生存所必需的基因中間，導(dǎo)致那個細(xì)胞失能或死亡。幸運(yùn)的是，甲基可以抓住轉(zhuǎn)座子并將其固定。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(zhuǎn)座子。
“沒有哪一個單獨(dú)的[甲基化]位點(diǎn)特別重要，但在演化的時(shí)間尺度上，整體的甲基化密度對轉(zhuǎn)座子進(jìn)行了選擇，”Madhani補(bǔ)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(jù)Madhani 在2008年發(fā)表的一項(xiàng)研究，DNA甲基化維持酶除了在DNA鏈之間復(fù)制甲基外，還可能影響著新型隱球菌對人類的感染情況。沒有完整的維持酶，這種真菌就不能有效地侵入人體細(xì)胞。Madhani說：“我們不知道為什么需要這種酶才能有效地感染。”
DNA甲基化維持酶還需要大量的化學(xué)能才能發(fā)揮作用，并且只能將甲基復(fù)制到已復(fù)制DNA鏈的空白部分。相比之下，根據(jù)預(yù)印本網(wǎng)站bioRxiv上發(fā)布的一份報(bào)告，其他生物體內(nèi)的這種酶不需要額外的能量就能發(fā)揮作用，有時(shí)還會與沒有任何甲基的DNA相互作用。進(jìn)一步的研究將揭示甲基化是如何在新型隱球菌細(xì)胞發(fā)揮作用，以及這種新發(fā)現(xiàn)的演化形式是否會出現(xiàn)在其他生物體中。

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