La evolución y la selección natural tienen lugar a nivel de ADN, ya que los genes mutan y los rasgos genéticos permanecen o se pierden con el tiempo. Pero ahora, los científicos piensan que la evolución puede tener lugar en una escala completamente diferente, transmitida no a través de genes, sino a través de moléculas adheridas a sus superficies.
Estas moléculas, conocidas como grupos metilo, alteran la estructura del ADN y pueden activar y desactivar los genes. Las alteraciones se conocen como "modificaciones epigenéticas", lo que significa que aparecen "arriba" o "encima" del genoma. Muchos organismos, incluidos los humanos, tienen ADN salpicado de grupos metilo, pero las criaturas como las moscas de la fruta y los gusanos redondos perdieron los genes necesarios para hacerlo durante el tiempo evolutivo.
Otro organismo, la levadura Cryptococcus neoformans, también perdió genes clave para la metilación en algún momento durante el período Cretácico, hace unos 50 a 150 millones de años. Pero notablemente, en su forma actual, el hongo todavía tiene grupos metilo en su genoma. Ahora, los científicos teorizan que C. neoformans fue capaz de conservar ediciones epigenéticas durante decenas de millones de años, gracias a un nuevo modo de evolución, según un estudio publicado el 16 de enero en la revista Cell.
Los investigadores detrás del estudio no esperaban descubrir un secreto bien guardado de la evolución, el autor principal, el Dr. Hiten Madhani, profesor de bioquímica y biofísica en la Universidad de California, San Francisco, e investigador principal del Chan Zuckerberg Biohub, le dijo a Live Science.
El grupo típicamente estudia C. neoformans para comprender mejor cómo la levadura causa meningitis fúngica en humanos. El hongo tiende a infectar a las personas con sistemas inmunes débiles y causa aproximadamente el 20% de todas las muertes relacionadas con el VIH / SIDA, según un comunicado de UCSF. Madhani y sus colegas pasan sus días investigando el código genético de C. neoformans, buscando genes críticos que ayudan a la levadura a invadir las células humanas. Pero el equipo se sorprendió cuando surgieron informes que sugerían que el material genético viene adornado con grupos metilo.
"Cuando aprendimos tenía metilación del ADN ... pensé, tenemos que mirar esto, sin saber lo que encontraríamos ", dijo Madhani. En vertebrados y plantas, las células agregan grupos metilo al ADN con la ayuda de dos enzimas. El primero, llamado "de novo metiltransferasa", pega grupos metilo en genes sin adornos. La enzima sazona cada mitad de la cadena de ADN en forma de hélice con el mismo patrón de grupos metilo, creando un diseño simétrico. Durante la división celular, la doble hélice se despliega y construye dos nuevas cadenas de ADN a partir de las mitades correspondientes. En este punto, una enzima llamada "metiltransferasa de mantenimiento" se incorpora para copiar todos los grupos metilo de la cadena original en la mitad recién construida. Madhani y sus colegas observaron los árboles evolutivos existentes para rastrear la historia de C. neoformans a través del tiempo, y descubrí que, durante el período Cretáceo, el ancestro de la levadura tenía ambas enzimas requeridas para la metilación del ADN. Pero en algún lugar a lo largo de la línea, C. neoformans perdió el gen necesario para producir metiltransferasa de novo. Sin la enzima, el organismo ya no podría agregar nuevos grupos metilo a su ADN, solo podría copiar los grupos metilo existentes utilizando su enzima de mantenimiento. En teoría, incluso trabajando solo, la enzima de mantenimiento podría mantener el ADN cubierto en grupos metilo indefinidamente, si pudiera producir una copia perfecta cada vez. En realidad, la enzima comete errores y pierde la pista de los grupos metilo cada vez que la célula se divide, encontró el equipo. Cuando se cría en una placa de Petri, C. neoformans ocasionalmente, las células obtienen nuevos grupos metilo por azar, de forma similar a cómo surgen mutaciones aleatorias en el ADN. Sin embargo, las células perdieron grupos metilo unas 20 veces más rápido de lo que podrían obtener otros nuevos. En aproximadamente 7,500 generaciones, cada último grupo metilo desaparecería, dejando al enzima de mantenimiento nada que copiar, estimó el equipo. Dada la velocidad a la que C. neoformans multiplica, la levadura debería haber perdido todos sus grupos metilo en unos 130 años. En cambio, conservó las ediciones epigenéticas durante decenas de millones de años. "Debido a que la tasa de pérdida es mayor que la tasa de ganancia, el sistema perdería lentamente la metilación con el tiempo si no hubiera un mecanismo para mantenerla allí", dijo Madhani. Ese mecanismo es la selección natural, dijo. En otras palabras, aunque C. neoformans estaba ganando nuevos grupos metilo mucho más lentamente de lo que los estaba perdiendo, la metilación aumentó dramáticamente la "aptitud" del organismo, lo que significaba que podía competir con las personas con menos metilación. Los individuos "en forma" prevalecieron sobre aquellos con menos grupos metilo, y por lo tanto, los niveles de metilación se mantuvieron más altos durante millones de años. Pero, ¿qué ventaja evolutiva podrían ofrecer estos grupos metilo? C. neoformans? Bueno, podrían proteger el genoma de la levadura del daño potencialmente letal, dijo Madhani. Los transposones, también conocidos como "genes saltadores", saltan alrededor del genoma a su antojo y a menudo se insertan en lugares muy inconvenientes. Por ejemplo, un transposón podría saltar al centro de un gen requerido para la supervivencia celular; esa célula podría funcionar mal o morir. Afortunadamente, los grupos metilo pueden agarrar los transposones y bloquearlos en su lugar. Puede ser que C. neoformans mantiene un cierto nivel de metilación del ADN para mantener los transposones bajo control, dijo Madhani. "Ningún sitio individual es particularmente importante, pero se selecciona la densidad general de la metilación en los transposones" durante las escalas de tiempo evolutivas, agregó. "Lo mismo probablemente sea cierto en nuestros genomas". Muchos misterios aún rodean la metilación del ADN en C. neoformans. Además de copiar grupos metilo entre cadenas de ADN, la metiltransferasa de mantenimiento parece ser importante cuando se trata de cómo la levadura causa infecciones en humanos, según un estudio de 2008 realizado por Madhani. Sin la enzima intacta, el organismo no puede piratear las células de manera tan efectiva. "No tenemos idea de por qué se requiere para una infección eficiente", dijo Madhani. La enzima también requiere grandes cantidades de energía química para funcionar y solo copia grupos metilo en la mitad en blanco de las cadenas de ADN replicadas. En comparación, la enzima equivalente en otros organismos no requiere energía adicional para funcionar y, a veces, interactúa con el ADN desnudo, desprovisto de cualquier grupo metilo, según un informe publicado en el servidor de preimpresión bioRxiv. La investigación adicional revelará exactamente cómo funciona la metilación en C. neoformans, y si esta nueva forma de evolución aparece en otros organismos.
