Neue Theorie erklärt Evolution in den Genen

Wie Introns in der Evolution entstanden sind, ist noch nicht restlos geklärt. Eine Forschungsgruppe der Vetmeduni Vienna hat nun eine neue Theorie dazu entwickelt, wie die Kombination zweier DNA-Reparaturmechanismen den artspezifischen Introngehalt von Genomen hervorbringt.

Die Arbeit wurde in der Zeitschrift „Trends in Genetics“ veröffentlicht.

Introns sind Abschnitte von Genen, die im Gegensatz zu so genannten Exons nicht in Proteine übersetzt werden. Beim Ablesen der DNA in der Zelle entsteht zunächst die Boten-RNA, aus der müssen die Intron-Abschnitte erst herausgeschnitten werden, bevor die Zellmaschinerie mit der Herstellung des jeweiligen Proteins beginnen kann.

Ursprünglich als genetischer Müll betrachtet, weisen jüngste Forschungsergebnisse Introns eine Rolle in der Regulation von Genaktivität zu. Manche biologische Arten, wie beispielsweise Hefe oder Kugelfische, haben sehr wenige Introns in ihren Genen, beim Menschen machen Introns ein Drittel des gesamten Genoms aus.

Die Frage, warum der Anteil an Introns in den Genen zwischen Organismenarten so unterschiedlich ist, wird unter Forschern seit gut 30 Jahren kontrovers diskutiert.

Zerbrochene DNA wird wieder zusammengeflickt

Die bisher vorherrschende Erklärung für das Auftreten von Introns ist, dass ihr Anteil in den Genomen der Arten einem evolutionären Selektionsprozess unterliegen muss. Ashley Farlow vom Institut für Populationsgenetik der Vetmeduni Vienna hat jetzt jedoch eine alternative Hypothese zur Entstehung von Introns entwickelt.

Ihr Erklärungsmodell geht von der bekannten Tatsache aus, dass die langen doppelsträngigen DNA-Moleküle manchmal auseinanderbrechen und von zwei unterschiedlichen und bereits gut bekannten Reparaturmechanismen wieder zusammengeflickt werden.

Zwei unabhängige Reparaturwege

Bei dem einen Reperaturmechanismus, so genannten homologen Rekombination, wird die DNA anhand einer Vorlage, der so genannten cDNA, aufwändig rekonstruiert. Eine Spezialität der cDNA ist, dass sie keine Introns mehr enthält, weil diese bei ihrem eigenen Entstehungsprozess schon herausgeschnitten wurden.

Nach der Reparatur finden sich die ursprünglich vorhandenen Introns auch in der geflickten DNA nicht mehr. Der andere Reparaturweg besteht aus einem eher simplen und schnellen Zusammenflicken der beiden Enden des Bruchs, dem so genannten Non-Homologous End-Joining.

Dabei werden an der Bruchstelle entweder kurze DNA-Stücke wie eine Art Kleber zusätzlich eingefügt, oder es wird auf beiden Seiten so lange DNA weggeschnitten, bis die entstehenden neuen Enden wieder zusammenpassen. Durch die Klebestelle entstehen entweder neue Introns, oder alte Introns gehen durch das Wegschneiden verloren.

Völlig neue Perspektive auf die Evolution von DNA

In der Evolutionsgeschichte gab es Zeiten, die von einer massiven  Zunahme an Introns in den Genomen der Lebewesen gekennzeichnet waren. Zu anderen Zeiten nahm die Intronzahl rapide ab. Farlows neue Theorie erklärt diese Dynamik als Folge des Zusammenspiels der beiden DNA-Reparaturmechanismen. So schlägt Farlow vor, dass das Verhältnis, in dem die beiden Reparaturwege aktiv sind, für eine Art charakteristisch ist.

Dadurch entstehen die artspezifischen Intronmengen in den Genen. Ashley Farlow dazu: „Die Reparatur von DNA-Brüchen mit dem Zuwachs oder Verlust an Introns zu verbinden, liefert eine sehr plausible Erklärung dafür, wie Intronmengen sich in den Genomen der Arten in evolutionärer Zeit verändert haben könnten.“

Der Artikel DNA double-strand break repair and the evolution of intron density von Ashley Farlow, Eshwar Meduri und Christian Schlötterer ist in der Jännerausgabe der Zeitschrift Trends in Genetics (2011, Vol. 27, pp. 1-6) veröffentlicht worden.

Link: Der Artikel im Volltext online