Springende Gene: Parasiten oder Triebkraft der Evolution?

Eine Gruppe um Christian Schlötterer von der Vetmeduni Vienna hat nun bei einer Population von Fruchtfliegen das Auftreten solcher parasitärer DNA untersucht und kommt zu überraschenden Ergebnissen, was die damit verbundenen Mechanismen und deren mögliche Rolle in der Evolution betrifft.

Ihre Arbeit erschien in der angesehenen Zeitschrift „PLoS Genetics“.

Fast alle Organismen haben Stücke von DNA in ihrer Erbsubstanz, die - evolutionär gesehen - nicht wirklich zu ihnen gehören. Diese so genannten ‚springenden Gene‘ oder ‚Transposable Elements‘ können ihren Ort innerhalb eines Genoms oder sogar zwischen den Genomen verschiedener Arten wechseln.

Im Allgemeinen belasten sie ihren Wirtsorganismus in irgendeiner Weise. So können sie direkt zu Krankheiten führen, beispielsweise dann, wenn sie sich mitten in ein für das Überleben wichtiges Gen einbauen.

Die Mechanismen, die die Ausbreitung der springenden DNA innerhalb einer Population von Organismen steuern, verstehen Forschende heute schon sehr gut. Viele der damit verbundenen Details sind aber nach wie vor unklar.

Die neuen Arbeiten an der Veterinärmedizinischen Universität Wien (Vetmeduni Vienna) könnten zum besseren Verständnis des zellulären Kampfes zwischen Wirtsorganismus und eindringender Fremd-DNA beitragen.

Verfeinerte Analysen

Robert Kofler und Andrea Betancourt, beide Wissenschaftler am Institut für Populationsgenetik an der Vetmeduni Vienna, haben mit neuartigen Gensequenziertechniken das Auftreten von Transposable Elements innerhalb einer Fruchtfliegenpopulation untersucht.

Ähnliche Analysen gab es zwar schon früher, die Populationsgenetiker an der Vetmeduni Vienna arbeiteten jedoch mit einer Reihe von analytischen Verfeinerungen, um sicher zu gehen, dass sie sowohl bereits bekannte als auch noch unbekannte Stellen im Genom finden, an denen sich fremde DNA eingenistet hat.

So konnten sie erstmals alle Transposable Elements in einer Fliegenpopulation katalogisieren. Zudem analysierten sie, wie oft an möglichen Einbaustellen tatsächlich fremde DNA zu finden ist.

Krieg in der Zelle

Die Ergebnisse waren dramatisch. Die Fruchtfliegen können an sehr vielen Stellen in ihrem Genom potenziell Transposable Elements tragen.

Andererseits fanden die Forschenden relativ wenige Tiere in der untersuchten Population, die tatsächlich fremde DNA an diesen möglichen Orten des Einbaus trugen. Vermutlich passierte der Einbau der Fremd-DNA an diesen Stellen erst vor relativ kurzer Zeit. 

Erst in der Zukunft würde sich herausstellen, ob die eingefügte DNA auch dort bleiben wird. Einige der älteren DNA-Einfügungen waren wiederum im Genom weit verbreitet, dennoch schienen die meisten dieser Stellen in der Population noch nicht endgültig fixiert zu sein.

Anders gesagt, die meisten dieser eingefügten Transposable Elements werden offenbar zunächst irgendwie gereinigt, bevor sie fixer Bestandteil des Genoms der Fliegenpopulation werden.

Schlötterer fasst die Resultate seines Teams so zusammen: „Das Genom ist wie eine Aufzeichnung vergangener Kriege zwischen Wirtsorganismus und parasitischer DNA.

Es gibt Angriffswellen, von denen die meisten erfolgreich abgewehrt werden. Nur eine kleine Zahl von Transposable Elements überlebt und breitet sich dann in der Population aus.“

Keime der biologischen Innovation

Noch überraschender war für die Forschenden, dass sie etwa ein Dutzend Stellen mit Fremd-DNA im Genom der Fruchtfliegen fanden, die öfter auftraten, als sie es von ihrem Alter her vermutet hätten.

Offenbar sind diese Stellen für die Fliegen von irgendeinem Anpassungsnutzen, der dazu führt, dass sie von der Selektion begünstigt werden. Dieser Effekt wurde schon früher bei zwei Genorten entdeckt, und auch Schlötterer fand diese beiden Orte mit seinen Analysen. Jedoch haben die Gene in unmittelbarer Nachbarschaft eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen, deshalb ist der Nutzen dieser Fremd-DNA für die Fliegen nicht klar.

„Vielleicht sollten wir die Transposable Elements überhaupt nicht als Parasiten sehen“, sagt Schlötterer, „Sie gehören möglicherweise zu den Mechanismen, mit denen Organismen ihr genetisches Repertoire vergrößern können. Dieser Mechanismus könnte helfen, die Tiere auf zukünftige Herausforderungen vorzubereiten.“

Der Artikel „Sequencing of Pooled DNA Samples (Pool-Seq) Uncovers Complex Dynamics of Transposable Element Insertions in Drosophila melanogaster“ von Robert Kofler, Andrea J. Betancourt und Christian Schlötterer wurde soeben in der Open Access Zeitschrift „PLoS Genetics“ veröffentlicht.