Genetische Salamitaktik: Schrittweise DNA-Änderungen bewirken auch schrittweise Änderungen im Aussehen

(02.07.2011) Die Erde ist von Organismen vieler verschiedener Formen und Größen bevölkert. Doch wie entsteht eine solche Vielfalt? Ein Team um David Stern von der Princeton University (USA) untersucht Veränderungen in der Morphologie von Fruchtfliegen.

Sie konnten jetzt zeigen, wie ein bestimmter so genannter Gen-Enhancer durch schrittweise Veränderungen seiner DNA-Sequenz auch seine Funktion in kleinen Schritten ändern kann und so für unterschiedlich gestaltete Körpermerkmale verantwortlich ist.

Alistair McGregor von der Vetmeduni Vienna hat an der Studie mitgearbeitet, sie wurde soeben in der Wissenschaftszeitschrift Nature veröffentlicht.

Die Transkription von Genen wird genau reguliert. Eine verwirrende Anzahl von DNA-Sequenzen arbeitet dafür mit einer riesigen Anzahl von Proteinen und anderen Faktoren zusammen.

Sie alle bestimmen, welche Gene wann und wo aktiv sind. All diese Mechanismen zu verstehen beschäftigte eine Unzahl an Molekularbiologen während der vergangenen Jahrzehnte. Heute machen Forschende entscheidende Fortschritte dabei, diese Mechanismen zu durchschauen.

Dennoch haben sie erst begonnen, auch die Mechanismen der Evolution wirklich zu verstehen. Neueste Erkenntnisse dazu berichtet nun eine Forschungsgruppe um David Stern von der Princeton University (USA), in Zusammenarbeit mit Alistair McGregor von der Vetmeduni Vienna und mit Francois Payre von der Université de Toulouse.

Rasierte Babys

Sterns Team untersucht die Evolution der Körpermerkmale von Fruchtfliegen. Die Larven zweier eng miteinander verwandten Arten, die eine die weltweit verbreitete Drosophila melanogaster, die andere die Art Drosophila sechellia, die nur auf den Seychellen vorkommt, unterscheiden sich im Muster ihrer Körperbehaarung.

Diese Unterschiede sind durch unterschiedliche Expression des bei beiden Arten vorkommenden, so genannten „shaven baby“-Gens (svb) bedingt. svb ist bei der Seychellen-Art bei einigen Zellen nicht aktiv, deshalb haben ihre Larven haarlose Längsstreifen oben und auf der Seite ihrer Körper.

Gensteuerung erzeugt Unterschiede

In früheren Arbeiten fand Sterns Team heraus, dass die Unterschiede zwischen den behaarten und den teils nackten Drosophila-Larven durch Unterschiede in der DNA-Sequenz der Regulatorregion des svb-Gens verursacht werden.

McGregor konnte in dieser Arbeit zeigen, dass bestimmte Bereiche des so genannten Enhancers E, das ist ein Stück Regulator, der Zeitpunkt und Intensität der Aktivität von svb auf der Körperoberseite und auf den Flanken steuert, für die Expression des svb-Gens dort verantwortlich ist.

Der Teil dieses Enhancers, der das svb-Gen aktiviert, genannt E6, unterscheidet sich bei Drosophila sechellia verglichen mit anderen Fruchtfliegenarten nur geringfügig. Zwei Post-Docs in Sterns Gruppe, Nicholás Frankel und Deniz F. Erezyilmaz, haben jetzt die Auswirkungen jeder dieser Änderungen systematisch untersucht.

Der Evolution zuschauen

Diese neuen Ergebnisse sind eine eindrucksvolle Demonstration der Evolution bei der Arbeit. Die Forschenden fanden mindestens fünf Veränderungen in der DNA-Sequenz des Enhancers E, die sich auch in einer geänderten Funktionsweise und damit in der Form der Larvenbehaarung ausdrückten.

Interessanterweise hat jede dieser Veränderungen für sich genommen keine allzu große Wirkung auf die Larven. Allerdings ist der gemeinsame Effekt aller Veränderungen zusammen viel größer als die Summer der einzelnen Veränderungen. Anders ausgedrückt: Die Auswirkung einer neuen Veränderung der Enhancer-DNA hängt davon ab, welche Veränderungen davor schon aktiv waren.

Alistair McGregor dazu: „Die Experimente aus unserem Nature-Artikel zeigen erstmals, wie sich einzelne Veränderungen in der Nukleotidsequenz eines Enhancers auf die morphologische Evolution auswirken.“ Damit ist eine mögliche  Erklärung dafür gefunden, wie sich einzelne Mutationen, jede mit nur kleinen Wirkungen, als Resultat einer Abfolge von Einwirkungen auf Populationen fixiert werden und damit am Ende zur Evolution unterschiedlicher Körpermerkmale führen.

Alistair McGregor hat erst kürzlich die Vetmeduni Vienna verlassen und arbeitet heute an der Oxford Brookes University (UK) weiter an der Erforschung der Evolution.

Der Artikel “Morphological evolution caused by many subtle-effect substitutions in regulatory DNA” der Autoren Nicolás Frankel, Deniz F. Erezyilmaz, Alistair P. McGregor, Shu Wang, François Payre und David L. Stern ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrft Nature (Vol. 474, pp. 598–603) erschienen.



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