3. Apr 2014

Evolution: Gene aus dem Nichts

Neue Gene können sich aus Teilen des Erbguts entwickeln, die zuvor brach lagen. Allein 142 derartige Kandidaten-Gene haben Forscher jetzt in Fruchtfliegen nachgewiesen. Die Funktion der Gene bleibt unklar, aber es gibt Hinweise, dass sie der natürlichen Selektion unterliegen.

„DNA-Müll“ als Rohmasse für die Evolution? Eine neue Studie legt diesen Schluss nahe. Endgültig bewiesen ist zwar noch nichts, aber Stoff zum Nachdenken liefert sie allemal: Einfache Mutationen könnten nicht-codierende Teile des Erbguts in Gene verwandeln.

Wo kommen neue Gene her? Genduplikation – so lautete lange die Standard-Antwort auf diese Frage. Der Mechanismus: Gene werden bei der Zellteilung zufällig verdoppelt, die überzählige Variante kann sich in der Folge frei entwickeln. Im Laufe der Zeit übernimmt sie neue Aufgaben – ein neues Gen ist entstanden. Die unzähligen Gen-Familien, die sich im Erbgut der meisten Lebewesen finden, sind vermutlich so entstanden.

Doch in jüngerer Zeit häuften sich die Hinweise, das Gene auch de novo – also quasi aus dem Nichts – entstehen können. Eine Forschergruppe um Li Zhao und David Begun an der Universität von Kalifornien untersuchten jetzt diesen Prozess erstmals mit den Mitteln der Populationsgenetik. Sie analysierten dazu die Genexpression in den Hoden von verschiedenen Fruchtfliegen: sechs Stämme von Drosophila melanogaster, drei Stämme von D. simulans und zwei Stämme von D. yakuba.

Insbesondere schauten sie nach RNA-Sequenzen, die zwar in einem oder mehreren der D. melanogaster-Stämme exprimiert waren, aber nicht in D. simulans oder D. yakuba, und auch nicht in einer D. melanogaster-Referenzdatenbank. Die Ausbeute war reichlich: Die Forscher identifizierten 142 mögliche Kandidaten für eine de novo Gen-Entwicklung.

Diese Kandidaten-Gene waren moderat exprimiert – deutlich stärker als das Hintergrundrauschen, aber schwächer als etablierte Gene. Die meisten wiesen einen open reading frame – Sequenzen, die nicht durch ein Stopp-Codon unterbrochen sind – von mindestens 150 DNA-Basen auf, könnten also potentiell für kleine Proteine oder Peptide codieren. Die untranslatierten Bereiche vor und hinter dieser Sequenz entsprachen meist dem, was man sich von einem Gen erwartet.

Aber haben diese Gene auch eine Funktion? Hier präsentieren die Forscher nur indirekte Daten: Statistische Analysen von Länge, Frequenz und Heterozygosität weisen darauf hin, dass die Kandidaten-Gene einer natürlichen Selektion unterlagen. Die Expression von Peptiden wurde nicht nachgewiesen, anscheinend auch gar nicht untersucht. Ob und welche Funktion diese Gene haben, bleibt also völlig unklar.

Interessant ist, dass die untersuchten Gen-Kandidaten – quasi unverändert – in allen untersuchten Fliegenstämmen vorkamen, jedoch nur in wenigen aktiv wurden. Die Forscher vermuten (und belegen dies auch teilweise), dass kleinere Mutationen in den umliegenden Bereichen eine Aktivierung dieser Sequenzen ausgelöst haben. Nicht-codierende Bereiche des Genoms könnten also jederzeit in aktive Gene umgewandelt werden.

Die hohe Zahl der Gen-Kandidaten beeindruct: 142 allein im männlichen Hodengewebe, im ganzen Tier werden es also noch deutlich mehr sein. Auch wenn der überwiegende Teil ohne Funktion oder sogar schädlich ist – hier wird Rohmaterial geschaffen, mit dem die Evolution weiter arbeiten könnte. Wieder eine mögliche Funktion für Teile des Genoms, die lange als „DNA-Müll“ abgewertet wurden.

Quelle:

Zhao, L., Saelao, P., Jones, C., & Begun, D. (2014). Origin and Spread of de Novo Genes in Drosophila melanogaster Populations Science, 343 (6172), 769-772 DOI: 10.1126/science.1248286

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

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