Spontanes Entstehen und Verschwinden von Genen

(17.02.2014) Gene werden nicht nur von Generation zu Generation vererbt, es entstehen auch regelmäßig neue Gene. Ihre Anzahl im Organismus müsste also stetig ansteigen. Das ist jedoch nicht der Fall.

Forschende der Vetmeduni Vienna zeigen erstmals, dass neu entstandene Gene auch wieder verschwinden und klären ein bislang ungelöstes Paradoxon. Das spontane Entstehen und Verschwinden von Genen ermöglicht Organismen eine rasche Anpassung an die Umwelt und treibt den Evolutionsprozess an.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde heute im Journal eLife veröffentlicht.

Wie entstehen neue Gene, so genannte de Novo oder Orphan Gene? Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass neue Gene durch Mutationen in einem bis dahin funktionslosen DNA Abschnitt, gewissermaßen aus dem Nichts entstehen.


Die Fruchtfliege Drosophila diente den Forschenden als genetisches Studienobjekt

Interessanterweise haben diese Orphan Gene bereits eine Funktion, obwohl sie erst ganz jung sind. Bis zu 30 Prozent aller Gene in einem Organismus gehören zu diesen „jungen“ Genen. Sie wurden in der Fruchtfliege entdeckt, es gibt sie jedoch in allen Organismen, einschließlich des Menschen.

WissenschfterInnen vom Institut für Populationsgenetik haben das Schicksal von Orphan Genen untersucht und erstmals gezeigt, dass Orphan Gene auch wieder verloren gehen und welche Faktoren das „Überleben“ dieser Gene beeinflussen.

„Junge“ Orphan Gene gehen rascher verloren

Institutsleiter Christian Schlötterer und Bioinformatiker Nicola Palmieri untersuchten gemeinsam mit KollegInnen den Lebenszyklus der Orphan Gene in Fruchtfliegen. Die Forschenden zeigten, dass die meisten Orphan Gene einen relativ kurzen Lebenszyklus besitzen.

„Es gibt Gene, die im Verlauf der Evolution lange erhalten bleiben, wir bezeichnen diese Gene als konserviert. Orphan Gene sind genau das Gegenteil, sie kommen und gehen. Interessanterweise sind es die jüngeren Orphan Gene, die rascher wieder verschwinden. Orphan Gene die schon länger bestehen, bleiben eher vorhanden“, so Schlötterer.

Die Forschenden zeigten, dass es zwei Faktoren sind, die die Lebensdauer eines jungen Gens beeinflussen. Erstens bleiben aktive Gene, also jene die viel RNA produzieren, länger erhalten als weniger aktive Gene. Zweitens sind jene Gene, die in Männchen aktiver sind als in Weibchen, länger intakt.

Das kurze „Leben“ auf dem X-Chromosom

Auch der Ort an dem sich ein Orphan Gen befindet entscheidet über sein Fortbestehen. Orphan Gene auf X-Chromosomen (Männchen besitzen ein X- und Weibchen zwei X-Chromosomen), verlieren viel schneller ihre Funktion als Orphan Gene auf anderen Chromosomen.

Zudem gibt es auf dem X-Chromosom mehr Orphan Gene als anderswo. Dieses Phänomen können die Forschenden bislang jedoch noch nicht erklären. Es scheint jedoch einen Mechanismus zu geben, der das „Überleben“ der Orphan Gene auf dem X-Chromosom erschwert.

Wichtige Werkzeuge der Evolution

Christian Schlötterer betont die Bedeutung der Orphan Gene für die Evolution: „Gerade für kurzfristige Anpassungen der Art, wenn Organismen etwas Neues und Innovatives brauchen, sind die Orphan Gene wahrscheinlich von großer Bedeutung.

Werden sie nicht mehr gebraucht, gehen sie auch rasch wieder verloren. In einem kürzlich erschienen Science Paper zeigen KollegInnen wie diese Gene entstehen und wie sie sich verbreiten. Wir zeigen nun erstmals, wie und wann sie wieder verschwinden.“

Für ihre Studie untersuchten die Forschenden eine europäische Fruchtfliegenspezies (Drosophila pseudoobscura), deren genetischer Code schon lange bekannt ist. Sie verglichen die genetischen Daten fünf verwandter Fliegenstämme dieser Art und konnten so Orphan Gene identifizieren und den Lebenszyklus verschiedener Gene untersuchen.

Der Artikel „The life cycle of Drosophila orphan genes” von Nicola Palmieri, Carolin Kosiol und Christian Schlötterer wurde heute im Journal eLife veröffentlicht. http://arxiv.org/abs/1401.4956



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