12. Jan 2016

Evolution des Erbguts: Was kostet ein Gen?

Ein Gen zu erhalten kostet wenig, es zu nutzen hingegen schon. Laut einer Modellrechnung könnte dies erklären, wie der scheinbare „Müll“ ins Erbgut gelangt ist.

gene energy cost - iu

Quelle: Michael Lynch, Indiana University

Das Leben aus der Sicht eines Buchhalters: Was kostet ein Gen, wie teuer kommt ein Protein? Klingt langweilig, zielt aber auf eine der großen offenen Fragen der Evolution – warum dominiert der „Müll“ das menschliche Erbgut?

Die Rolle des Buchhalters übernahmen Michael Lynch und Georgi Marinov von der Indiana University in Bloomington. Sie durchforsteten die Literatur und stellten alle Daten zusammen, die zum Energiebedarf von Genen bekannt waren. Pedantisch dröselten sie dabei die Kosten in drei Rubriken auf: Vervielfältigung/Struktur, Umschrift in RNA und Produktion von Proteinen.

Viel Überflüssiges im Kern?

Interessant ist dies vor allem, weil es offensichtlich zwei unterschiedliche Konzepte für die Organisation der Erbinformation gibt. Bakterien und Archaeen auf der einen Seite weisen kompakte Genome auf, in denen kaum Überflüssiges zu finden ist. Das Erbgut kernhaltiger Zellen hingegen wird meist von DNA-Sequenzen dominiert, die augenscheinlich keinen Sinn ergeben und keine Funktion erfüllen. Weswegen sie schon vor langer Zeit als junk DNA abgestempelt wurden. „Müll“ halt.

Doch die Hypothese vom „Müll“ überzeugt nicht mehr jeden. Zuvorderst das ENCODE-Projekt: Laut dessen Daten sind mindestens 80 % des menschlichen Genoms aktiv – und besitzen demgemäß auch eine Funktion. Dies geht Hand in Hand mit der Vorstellung, dass nur ein komplexes Genom dazu in der Lage ist, eine komplexe Lebensform (sprich: den Menschen) hervorzubringen.

Müll ist billig

Woher kommt nun die junk DNA? Lynch und Marinov versuchen eine Antwort, und die lautet etwas überspitzt: „Müll“ sammelt sich an, weil er so wenig kostet. Das sagen sie so natürlich nicht, weil das ihre Modellrechnung nicht hergibt und sie das selbstverständlich besser wissen als ich. Aber als leichte Provokation – und klaren Gegenentwurf zu ENCODE – scheint mir dies im Hintergrund mitzuklingen.

Um endlich zur Modellrechnung von Lynch und Marinov zu kommen: Eine wichtige Schlussfolgerung ist, dass von den drei Kostenfaktoren die Replikation der DNA eindeutig den kleinsten Posten darstellt. Zudem leiden vor allem kleine Zellen unter diesen Kosten – besonders wenn sie sich rasch vermehren. Für Bakterien ist daher die Replikation der DNA also eine spürbare Belastung.

Große und kleine Populationen

Bei kernhaltigen Zellen – die meist deutlich größer sind und langsamer wachsen – sinkt hingegen der Anteil, den die DNA-Replikation am gesamten Energieverbrauch einnimmt. Eukaryoten bezahlen ihre kostspielige Neuerungen wie Zellskelett und Organellen mit einem massiv erhöhten Bedarf an Proteinen – da fällt die Replikation der DNA kaum noch ins Gewicht. Auch die erheblichen Zusatzkosten für den Aufbau des Chromatins (also der räumlichen Struktur des eukaryotischen Erbguts) ändern daran nichts.

Noch einen weiteren Aspekt gibt es zu bedenken: Lynch und Marinov – die aus der Populationsgenetik kommen – sehen die Größe der Population als entscheidenden Faktor. Denn die natürliche Selektion verläuft in großen Populationen wesentlich effektiver. Anders gesagt: Je mehr Zellen, umso effizienter werden negative oder nutzlose Merkmale aussortiert. Und da Bakterien meist wesentlich zahlreicher sind als kernhaltige Zellen, greift bei ihnen auch die Evolution härter durch.

Fehlende Reinigungskraft?

Die Forscher liefern dazu konkrete Zahlen. Bakterien – die hohen relativen Kosten und starkem Selektionsdruck ausgesetzt sind – können schon sehr kurze Sequenzen aus ihrem Erbgut entfernen. 10 Basenpaare werden als untere Grenze genannt. Bei Eukaryoten – niedrige relative Kosten und schwacher Selektionsdruck – liegt die Grenze wesentlich höher: durchschnittlich etwa bei 100 000, beim Menschen vielleicht sogar 10 Millionen Basenpaaren.

Daher die mögliche – aber so nicht formulierte – Schlussfolgerung: Eukaryotische Genome blähen sich nur deshalb auf, weil ihre Reinigungskräfte versagen.

Aktivität muss nichts bedeuten

Lynch und Marinov halten noch eine weitere Provokation bereit. Ihrer Rechnung zufolge sind die Kosten für die Transkription der DNA (also die Umschrift in RNA) etwa 10fach höher als für deren Replikation. Die Kosten sind damit aber immer noch nicht so hoch, dass kernhaltige Zellen – zumindest wenn die Rate der Transkription gering ist – den Druck der natürlichen Selektion spüren. Die Schlussfolgerung: Nur weil ein DNA-Abschnitt RNA hervorbringt wird, muss er nicht aktiv sein.

Dies ist nun ein eindeutiger Seitenhieb auf das ENCODE-Projekt. Eines von deren zentralen Erkenntnissen war der Befund, dass ein Großteil des menschlichen Genoms in RNA umgeschrieben wird. Und da die DNA aktiv ist – so die Argumentation von ENCODE – muss sie auch eine Funktion erfüllen.

Wenig kontrovers ist jedoch der letzte Punkt der Modellrechnung: Die Produktion von Proteinen ist mit Abstand der teuerste Prozess, der mit dem Erbgut zusammenhängt. Die natürliche Selektion setzt nun auch bei kernhaltigen Zellen voll ein. Wohl mit ein Grund, warum die Größe des Genoms bei Eukaryoten massiv schwankt, die Zahl der Protein-Gene aber vergleichsweise konstant bleibt.

Und die Funktion?

Die wichtigste Frage bleibt jedoch offen. Die Forscher rechnen überzeugend vor, dass sich DNA-Abschnitte auch dann im eukaryotischen Genom halten können, wenn sie eigentlich nutzlos sind. Und beim Menschen erlaubt ihr Modell sogar Abschnitte in der Größenordnung von 10 Millionen Basenpaaren. Das ist beeindruckend, aber vergleichsweise winzig. Denn zur junk DNA werden über 80 % des menschlichen Genoms gezählt – also etwa 2500 Millionen Basenpaare. Deren Erhaltung ist nun mit Sicherheit eine massive Belastung, auch gemäß der Rechnung von Lynch und Marinov.

Wäre das Leben ein Buchhalter, würde es diesen Posten auf die Streichliste setzen. Warum tut es das nicht?

Ein Fazit: Für mich bleibt die Frage nach der Rolle der junk DNA weiterhin offen. DNA-Sequenzen können sich zufällig und unreguliert im Erbgut anreichern, ok. Aber ist damit ausgeschlossen, das sie nachträglich eine sinnvolle Funktion erlangen?

Mehr dazu auf wissensschau.de:
Das ENCODE-Projekt: 80 % des Genoms sind aktiv

Nicht-codierende DNA: Mehr als „Schrott und Müll“

Quelle:
Lynch and Marinov , PNAS 2015: The bioenergetic costs of a gene

4 thoughts on “Evolution des Erbguts: Was kostet ein Gen?

    • Die ganze Geschichte mit der junk DNA ist extrem verwirrend. Was noch schlimmer ist: Die Wissenschaftsgemeinde teilt sich hier offenkundig in zwei Lager auf – pro-ENCODE und anti-ENCODE. Was hier Dogma ist und was tatsächlich den akzeptierten Stand des Wissens darstellt, ist von außen nur schwer zu durchschauen.

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