Austauschbare Gene: Mensch rettet Hefe

Eine Milliarde Jahre Evolution trennen Mensch und Hefen, doch in Teilen des Erbguts steht die Zeit still: Forscher stießen auf genetische Module, deren Funktion sich kaum verändert hat.

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Der letzte gemeinsame Vorfahr von Mensch und Hefe lebte in einer anderen Welt. Seitdem hat sich viel getan: Tiere und Pflanzen entwickelten sich, das feste Land wurde erobert, Dinosaurier kamen und gingen. Eine Milliarde Jahre verstrichen – doch nicht immer hinterließen sie tiefe Spuren.

Und so können menschliche Gene todkranke Hefen retten.

6200 Gene umfasst das Erbgut der Bäckerhefe S. cerevisiae, und etwa ein Drittel davon hat eine Entsprechung im Menschen. Diese sogenannten orthologen Gene sind ein klarer Beweis für unsere gemeinsame Herkunft. Doch die meisten Gene haben sich seitdem stark entwickelt – zumindest was die Abfolge der DNA-Buchstaben betrifft. Ob diese Varianten auch im anderen Organismus noch funktionsfähig sind, darüber wussten Forscher bislang nur wenig.

Systematischer Austausch

Den ersten systematischen Versuch, diese Wissenslücke zu füllen, publizierten kürzlich Wissenschaftler um Edward Marcotte von der Universität Texas, Austin. Sie tauschten insgesamt 414 Gene in der Hefe gegen ihre menschlichen Korrelate aus.

Die Auswahl erfolgte nach klaren Kriterien: Erstens wurden nur orthologe Gene ausgetauscht, die eine 1:1 Entsprechung im menschlichen Erbgut hatten. Gene, die sich im Laufe der Evolution verdoppelt hatten, wurden ausgeschlossen – um die Analyse deutlich zu vereinfachen.

Zweitens mussten die ausgetauschten Gene lebenswichtig für die Hefen sein. Ist der Austausch nicht erfolgreich, sind die Folgen – der Tod der Zellen – eindeutig und leicht zu erkennen.

200 menschliche Gene sichern das Überleben

Das dritte Kriterium war rein praktischer Natur: Es sollten sogenannte Null-Mutanten verfügbar sein. Dies sind Hefe-Stämme, bei denen das betreffende Gene künstlich ausgeschaltet werden kann. Da in dieser Studie nur lebenswichtige Gene untersucht wurden, bedeutete dies den Tod für die Hefen. Es sei denn, das menschliche Gen könnte das Leben der Einzeller retten.

Die Rettungsaktion glückte in fast der Hälfte der Fälle. Die menschlichen Gene integrierten sich in den Stoffwechsel der Hefe, und die Zellen vermehrten sich beinahe so, als wäre nichts geschehen. Insgesamt identifizierten die Forscher etwa 200 lebenswichtige Gene, die den Sprung von Mensch zu Hefe überstanden.

Uralte Gen-Module

Was bestimmte nun den Erfolg? Eine sehr hohe Ähnlichkeit zwischen dem menschlichen und dem Hefe-Gen – größer als 70 % – waren eine gute Voraussetzung. Doch bei dem Großteil der Gene spielte dies keine Rolle – die durchschnittliche Ähnlichkeit betrug nur etwa 32 %. Ein anderer Faktor erwies sich als entscheidend: Die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Prozess.

Ein konkretes Beispiel: Hefen produzieren die fett-ähnlichen Sterine – beim Menschen ist das vor allem Cholesterin – mit Hilfe von 19 Enzymen. 17 davon erwiesen sich als austauschbar. Ähnliches gilt für den Stoffwechsel von Vitaminen, Aminosäuren und Kohlenhydraten. Ganz schlecht waren die Erfolgschancen hingegen bei der Reparatur des Erbguts oder der Steuerung des Zellwachstums – obwohl auch hier die Enzyme scheinbar ähnlich waren.

Die offenkundige Schlussfolgerung: Es gibt uralte Prozesse, welche die Evolution im Kern fast unverändert überdauerten. Unser Erbgut verbirgt also genetische Module, die schon seit Urzeiten aktiv sind.

Hefen mit menschlichem Stoffwechsel

Dies eröffnet die Möglichkeit, nicht nur einzelne Gene, sondern ganze Module zwischen Mensch und Hefe auszutauschen. Dabei entstünden Hefe-Stämme, die in wichtigen Teilen auf den menschlichen Stoffwechsel zurückgreifen.

Eine praktische Anwendung drängt sich auf. Fast alle Gene liegen in einer Unzahl von Varianten vor – die Funktion dieser Polymorphismen lässt sich jedoch im Menschen kaum untersuchen. Anders in der Hefe: Beliebige Variationen des menschlichen Stoffwechsels könnten erzeugt und analysiert werden.

Baukasten für den Menschen

Die Versuche der texanischen Forscher beweisen eindrucksvoll eine alte These: Das Leben bedient sich aus einem Systembaukasten. Bewährt sich ein Bauteil, besteht wenig Anlass, es zu verändern – sei es bei Hefen, Tieren, Pflanzen oder dem Menschen.

Es ist faszinierend, dass dieser Baukasten nun auch dem Mensch offen steht. Und dass wir einen weit entfernten Verwandten nutzen könnten, um mehr über uns selbst zu erfahren.

Quelle:

Kachroo et al., Science, Mai 2015: Systematic humanization of yeast genes reveals conserved functions and genetic modularity

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