不用依靠DNA！科学家发现了进化的新模式

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樓主

發表於 2020-1-23 09:36:50

遨游世界科学

发布时间：01-2300:40优质原创作者
众所周知，进化和自然选择都是基于DNA水平上发生，因此基因突变和遗传特征要么保留下来，要么随时间而消失。但是现在，科学家们认为进化可能发生在一个完全不同的范围，即不是通过基因，而是通过附着在表面的分子。

这些被称为甲基的分子会改变DNA的结构，并且能够开启和关闭基因。这种改变被称为“表观遗传修饰”。包括人类在内的许多生物的DNA中都有一些甲基，但像果蝇和蛔虫这样的生物在进化过程中却丢失了所需的基因。

另一种生物，新型酵母隐球菌，在大约5000万到1.5亿年前的白垩纪时期也丢失了甲基化的关键基因。但值得注意的是，以目前的形式，这种真菌的基因组上仍然有甲基。根据一项研究，现在科学家们建立了一个理论，认为新发现的一种进化模式使新型酵母隐球菌能够在数千万年的时间里保持这种改变。

据了解，该科研小组通常研究新息酵母，可以更好地了解酵母导致人类真菌性脑膜炎的过程。据加州大学旧金山分校(UCSF)的一份声明称，这种真菌往往会感染免疫系统脆弱的人，导致约20%的艾滋病相关患者死亡。于是科学家花了大量的时间来挖掘新型酵母隐球菌的遗传密码，寻找帮助酵母入侵人类细胞的关键基因。然而最新发现这种基因物质带有甲基，这个发现让科学家无比惊讶，并引起了他们的研究兴趣。

在脊椎动物和植物中，细胞在两种酶的帮助下向DNA中添加甲基。第一种被称为“从头甲基转移酶”，它将甲基基团附着在未修饰的基因上。这种酶在螺旋状DNA链的每一半上都加入了相同模式的甲基，形成了一个对称的设计。在细胞分裂过程中，双螺旋展开并从匹配的两半中构建两条新的DNA链。这时，一种叫做“维持甲基转移酶”的酶突然出现，把所有的甲基基团从原来的链上复制到新形成的链上。

于是科学家们通过观察现有的进化树来追溯新物种的历史，发现在白垩纪时期，酵母的祖先同时拥有DNA甲基化所需的两种酶。但是在这条线上的某个地方，新型酵母隐球菌失去了制造从头甲基转移酶所需的基因。没有这种酶，有机体就不能再在DNA中添加新的甲基了，它只能用它的维持酶来复制现有的甲基。从理论上讲，即使是单独工作，这种维持酶也可以使DNA无限期地覆盖在甲基群中，当然前提是如果它每次都能产生一个完美的拷贝的话。

研究小组发现，实际上，这种酶在每次细胞分裂时都会出错并失去甲基的踪迹。在有盖培养皿中培养时，新生的新型酵母隐球菌细胞偶尔会随机获得新的甲基群，这与DNA中的随机突变类似。然而，细胞失去甲基群的速度比获得新甲基群的速度快20倍。

研究小组估计，在大约7500代的时间里，每一个甲基都会消失，使得维持酶无法复制。考虑到新型酵母隐球菌繁殖的速度，这种酵母在大约130年内就会失去所有的甲基。相反，它保留了数千万年的表观遗传编辑。

科学家表示，由于甲基化的损失率高于损益率，如果没有一种机制来维持甲基化，随着时间的推移，该系统将慢慢失去甲基化，这种机制就是自然选择。换句话说，尽管新型酵母隐球菌获得新甲基群的速度比失去新甲基群的速度慢得多，但甲基化极大地提高了有机体的“适应性”，这意味着它可以打败甲基化程度较低的个体。“合适”的个体比甲基少的个体占优势，因此，甲基化水平在数百万年里一直保持较高水平。并且它们可能会保护酵母的基因组免受潜在的致命伤害。

目前仍然有许多未解之谜围绕着新型酵母隐球菌的DNA甲基化。根据 2008年的一项研究，除了在DNA链之间复制甲基基团外，维持甲基转移酶在酵母如何引起人类感染方面似乎也很重要。没有完整的酶，有机体就不能有效地侵入细胞。并且这种酶还需要大量的化学能才能发挥作用，而且只能将甲基复制到复制DNA链的空白部分。相比之下，另一份报告，其他生物体内的这种酶不需要额外的能量就能发挥作用，有时还会与没有任何甲基的裸DNA相互作用。进一步的研究将揭示甲基化是如何在新型酵母隐球菌中起作用的，以及这种新发现的进化形式是否会出现在其他生物体中。