Evolusi dan seleksi alam terjadi pada tingkat DNA, ketika gen bermutasi dan sifat-sifat genetik bertahan atau hilang seiring berjalannya waktu. Tetapi sekarang, para ilmuwan berpikir evolusi mungkin terjadi pada skala lain - diturunkan bukan melalui gen, tetapi melalui molekul yang menempel di permukaannya.
Molekul-molekul ini, yang dikenal sebagai kelompok metil, mengubah struktur DNA dan dapat menghidupkan dan mematikan gen. Perubahan tersebut dikenal sebagai "modifikasi epigenetik," yang berarti mereka muncul "di atas" atau "di atas" genom. Banyak organisme, termasuk manusia, memiliki DNA yang dipenuhi dengan kelompok-kelompok metil, tetapi makhluk-makhluk seperti lalat buah dan cacing gelang kehilangan gen yang diperlukan untuk melakukannya dari waktu ke waktu evolusi.
Organisme lain, ragi Cryptococcus neoformans, juga kehilangan gen-gen kunci untuk metilasi pada masa Cretaceous, sekitar 50 hingga 150 juta tahun yang lalu. Tetapi yang luar biasa, dalam bentuknya saat ini, jamur masih memiliki gugus metil pada genomnya. Sekarang, para ilmuwan berteori tentang itu C. neoformans mampu bertahan pada pengeditan epigenetik selama puluhan juta tahun, berkat mode evolusi yang baru ditemukan, menurut sebuah studi yang diterbitkan 16 Januari di jurnal Cell.
Para peneliti di balik penelitian ini tidak berharap untuk mengungkap rahasia evolusi yang terpelihara dengan baik, penulis senior Dr. Hiten Madhani, seorang profesor biokimia dan biofisika di University of California, San Francisco, dan peneliti utama di Chan Zuckerberg Biohub, kata Live Science.
Kelompok ini biasanya belajar C. neoformans untuk lebih memahami bagaimana ragi menyebabkan meningitis jamur pada manusia. Jamur cenderung menginfeksi orang dengan sistem kekebalan yang lemah dan menyebabkan sekitar 20% dari semua kematian terkait HIV / AIDS, menurut pernyataan dari UCSF. Madhani dan rekan-rekannya menghabiskan hari-hari mereka menggali melalui kode genetik C. neoformans, mencari gen kritis yang membantu ragi menyerang sel manusia. Tetapi tim itu terkejut ketika laporan muncul menunjukkan bahwa materi genetik datang dihiasi dengan kelompok metil.
"Ketika kami belajar memiliki metilasi DNA ... Saya pikir, kita harus melihat ini, tidak tahu sama sekali apa yang akan kita temukan, "kata Madhani. Pada vertebrata dan tanaman, sel menambahkan gugus metil ke DNA dengan bantuan dua enzim. Yang pertama, yang disebut "de novo methyltransferase," menempel kelompok metil ke gen yang tidak berhias. Enzim paprika setiap setengah helai DNA berbentuk heliks dengan pola yang sama dari kelompok metil, menciptakan desain simetris. Selama pembelahan sel, heliks ganda membuka dan membangun dua untai DNA baru dari bagian yang cocok. Pada titik ini, sebuah enzim yang disebut "maintenance methyltransferase" menyapu untuk menyalin semua kelompok metil dari untai asli ke setengah yang baru dibangun. Madhani dan rekan-rekannya melihat pohon evolusi yang ada untuk melacak sejarah C. neoformans melalui waktu, dan menemukan bahwa, selama periode Cretaceous, nenek moyang ragi memiliki kedua enzim yang diperlukan untuk metilasi DNA. Tapi di suatu tempat di sepanjang garis, C. neoformans kehilangan gen yang dibutuhkan untuk membuat de novo methyltransferase. Tanpa enzim, organisme tidak lagi dapat menambahkan gugus metil baru ke dalam DNA-nya - ia hanya bisa menyalin kelompok-kelompok metil yang ada menggunakan enzim pemeliharaannya. Secara teori, bahkan bekerja sendiri, enzim pemeliharaan dapat menjaga DNA tertutup dalam kelompok metil tanpa batas - jika itu dapat menghasilkan salinan sempurna setiap saat. Pada kenyataannya, enzim membuat kesalahan dan kehilangan jejak kelompok metil setiap kali sel membelah, tim menemukan. Saat diangkat dalam cawan petri, C. neoformans sel kadang-kadang memperoleh kelompok metil baru secara kebetulan, mirip dengan bagaimana mutasi acak muncul dalam DNA. Namun, sel-sel kehilangan kelompok metil sekitar 20 kali lebih cepat daripada yang dapat mereka peroleh baru. Dalam sekitar 7.500 generasi, setiap kelompok metil terakhir akan hilang, sehingga enzim pemeliharaan tidak dapat disalin, tim memperkirakan. Mengingat kecepatannya C. neoformans berlipat ganda, ragi seharusnya kehilangan semua kelompok metilnya dalam waktu sekitar 130 tahun. Alih-alih, itu mempertahankan suntingan epigenetik selama puluhan juta tahun. "Karena tingkat kehilangan lebih tinggi dari tingkat perolehan, sistem perlahan-lahan akan kehilangan metilasi dari waktu ke waktu jika tidak ada mekanisme untuk mempertahankannya di sana," kata Madhani. Mekanisme itu adalah seleksi alam, katanya. Dengan kata lain, meski begitu C. neoformans adalah mendapatkan kelompok metil baru jauh lebih lambat daripada kehilangan mereka, metilasi secara dramatis meningkatkan "kebugaran" organisme, yang berarti ia dapat mengalahkan individu dengan metilasi yang lebih sedikit. Individu yang "cocok" menang atas mereka yang memiliki kelompok metil lebih sedikit, dan dengan demikian, tingkat metilasi tetap lebih tinggi selama jutaan tahun. Tapi apa keuntungan evolusi yang bisa ditawarkan kelompok-kelompok metil ini C. neoformans? Nah, mereka mungkin melindungi genom ragi dari kerusakan yang berpotensi mematikan, kata Madhani. Transposon, yang juga dikenal sebagai "gen pelompat," melompat-lompat di sekitar genom dan sering memasukkan diri ke tempat-tempat yang sangat tidak nyaman. Misalnya, transposon dapat melompat ke pusat gen yang dibutuhkan untuk kelangsungan hidup sel; sel itu bisa rusak atau mati. Untungnya, kelompok metil dapat menggunakan transposon dan mengunci di tempatnya. Bisa jadi itu C. neoformans mempertahankan tingkat tertentu metilasi DNA untuk menjaga transposon tetap terkendali, kata Madhani. "Tidak ada situs individu yang sangat penting, tetapi kepadatan metilasi keseluruhan pada transposon dipilih untuk" dalam rentang waktu evolusi, tambahnya. "Hal yang sama mungkin benar dalam genom kita." Banyak misteri masih mengelilingi metilasi DNA di Indonesia C. neoformans. Selain menyalin kelompok metil antara untai DNA, pemeliharaan methyltransferase tampaknya menjadi penting ketika sampai pada bagaimana ragi menyebabkan infeksi pada manusia, menurut sebuah penelitian tahun 2008 oleh Madhani. Tanpa enzim yang utuh, organisme tidak dapat meretas ke dalam sel secara efektif. "Kami tidak tahu mengapa itu diperlukan untuk infeksi yang efisien," kata Madhani. Enzim juga membutuhkan sejumlah besar energi kimia untuk berfungsi dan hanya menyalin gugus metil ke bagian kosong untai DNA yang direplikasi. Sebagai perbandingan, enzim setara dalam organisme lain tidak memerlukan energi ekstra untuk berfungsi dan kadang-kadang berinteraksi dengan DNA telanjang, tanpa kelompok metil apa pun, menurut laporan yang diposting di server preprint bioRxiv. Penelitian lebih lanjut akan mengungkapkan bagaimana metilasi bekerja di C. neoformans, dan apakah bentuk evolusi yang baru ditemukan ini muncul pada organisme lain.
