Hotspot für Mutationen macht Wiedererwerb einer Geißel möglich
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Hotspot für Mutationen macht Wiedererwerb einer Geißel möglich
Es gibt viele Beispiele dafür, dass genetische Veränderungen, die zu angepassten neuen Ausprägungen (Phänotypen) führen, nicht völlig zufällig sind (Borger 2019). Am besten untersucht sind Mikroben, die unter starker Selektion kultiviert wurden und dann oft schnell und unabhängig voneinander ähnliche neue Phänotypen annahmen (Fong 2005). Das bekannteste Beispiel ist das Auftreten von E.-coli-Bakterien, die Citrat als Kohlenstoffquelle nutzen können, während dies ihren Vorfahren nicht möglich war (Blount et al. 2008). Dies wurde als ultimativer Beweis für die darwinistische Evolution gepriesen. Später wurde nachgewiesen, dass Citrat-verwertende E.-coli-Stämme in nur 12 bis 100 Generationen entstehen können, wenn eine hochintensive Selektion unter Mangelbedingungen durchgeführt wird (Van Hofwegen 2016). Außerdem zeigte sich, dass dieselben Loci (Genorte) beteiligt waren und dass die Umstrukturierung der DNA durch die gleiche Klasse von Mutationen erfolgte, die zuvor identifiziert wurden. Die Evolution wiederholt sich und scheint vorprogrammiert zu sein. Trotz häufiger Beobachtungen von wiederholten Ereignissen dieser Art fehlte bislang ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden Genetik.
In einer aktuellen Studie wurde ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für wiederholbare genetische Veränderungen beim Bodenbakterium Pseudomonas fluorescens festgestellt (Horton 2021). Zur Fortbewegung ist diese Mikrobe mit einer motorisierten Geißel, einer Art Außenbordpropeller, ausgestattet. Es gibt aber auch unbewegliche Varianten von P. fluorescens ohne Geißel. In einer Umgebung, in der es reichlich Nahrung oder keine Fressfeinde gibt, stellt der Verlust der Geißel keinen Fitnessnachteil dar. Vielmehr könnte der Aufwand, diese komplizierte Struktur zu bilden, in solchen Umgebungen ein Nachteil sein. Eine faszinierende Beobachtung bei P. fluorescens ist, dass Populationen ohne Geißeln diese leicht wieder erwerben können. Wie ist es möglich, dass eine so komplexe Struktur wie das Flagellum fast nach Belieben verloren und wiedergewonnen werden kann?
In der Studie wurden zwei Stämme von P. fluorescens, bekannt als AR2 und Pf0-2x, verwendet, um die Mechanismen zu ermitteln, die für das beobachtete wiederholte erneute Auftreten von Geißeln verantwortlich sind. Beide unbeweglichen Stämme sind genetisch betrachtet ähnliche Varianten des Bakteriums, die unter starker Selektion die Geißel-vermittelte Beweglichkeit schnell wiedergewinnen können. Und dies geschieht unabhängig voneinander in verschiedenen Kulturen.
Die Studie zeigte, dass die gezüchteten AR2-Linien die Beweglichkeit durch eine vielfach wiederholbare Mutation desselben Nukleotids erlangten: In über 95 % der Stämme war das genau gleiche Nukleotid beteiligt. Die Beweglichkeit von Pf0-2x hingegen entwickelte sich über eine Reihe von Mutationen im gleichen ntrB-Locus (Genbereich für den Stickstoffregulationsweg, ntr). Die betreffende Position bei AR2 ist somit ein Hotspot; d. h. hier treten besonders häufig Mutationen auf. Die Forscher stellten fest, dass sechs stille Nukleotide in der lokalen Region um den Hotspot im ntrB-Gen von AR2 für den Hotspot erforderlich sind. Sie werden „still“ genannt, weil sie an dritter Stelle im Triplett-Code stehen und bei der Translation des entsprechenden Gens dieselbe Aminosäure ins Protein eingefügt wird, es wird also das gleiche Polypeptid synthetisiert. Dies ist der Fall, weil aufgrund der Redundanz des genetischen Codes in diesen Fällen die dritte Position keinen Einfluss auf die codierte Aminosäure hat. Wenn aber diese stillen Nukleotide so verändert wurden, dass sie mit der Sequenz von Pf0-2x übereinstimmten, verschwand der Hotspot, d. h. es traten an dieser Position keine Mutationen mehr auf.
Bei AR2 wird der bewegliche Phänotyp in unabhängigen Linien durch eine wiederholbare de-novo-Mutation im ntrB-Locus erreicht. Die parallele Entstehung der gleichen ntrB-Mutanten ist bemerkenswert, da in allen Fällen derselbe Locus betroffen ist, während die Pf0-2x-Linien ihre Beweglichkeit durch Mutationen in der gesamten ntr-Regulationshierarchie entwickeln (Horton 2021).
Die Autoren der Studie bezeichnen die Mutation bei AR2 als einen „deterministischen Hotspot für Mutationen“. Sie kommen zum Schluss, dass ihre „... Arbeit eine Schlüsselrolle für stille genetische Variationen bei der Bestimmung von Anpassungsergebnissen aufzeigt. Hotspots für Mutationen können evolutionäre Ergebnisse bestimmen und die Evolution wiederholbar machen.“
Obwohl die Autoren belegen, dass die Sequenz und Identität der Nukleotide der DNA von größter Bedeutung sind, haben sie den zugrundeliegenden molekularbiologischen Mechanismus nicht wirklich erklärt. Ihre Daten deuten darauf hin, dass es zusätzliche codierte Information im genetischen (oder: Protein-) Code gibt, die bestimmen, wo Mutationen auftreten. Aber wie kommen sie zustande und warum an dieser Position?
Sicher ist jedenfalls, dass Organismen mit solchen Sequenz-determinierten Hotspots nicht auf zufällige Mutationen warten müssen. Sie können sofort reagieren und sich anpassen. Das hat weitreichende Konsequenzen. Genetische Mechanismen, die praktisch nutzbare Variationen hervorrufen – und dieses Beispiel bei Pseudomonas ist nur ein weiteres von vielen –, reduzieren die Rolle der natürlichen Selektion in diesem Zusammenhang dramatisch.
[Blount ZD, Borland CZ & Lenski RE (2008) Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. PNAS 105, 7899–7906 • Borger P (2019) Artübergreifende wiederkehrende Mutationen. Stud. Integr. J. 26, 77–85 • Fong SS, Joyce AR & Palsson BØ (2005) Parallel adaptive evolution cultures of Escherichia coli lead to convergent growth phenotypes with different gene expression states. Genome Res. 15, 1365–1372 • Horton JS et al. (2021) A mutational hotspot that determines highly repeatable evolution can be built and broken by silent genetic changes. Nat. Commun. 12, 6092 • Van Hofwegen D et al. (2016) Rapid Evolution of Citrate Utilization by Escherichia coli by Direct Selection Requires citT and dctA. J. Bacteriol. 198, 1022–1034] P. Borger
Hotspot für Mutationen macht Wiedererwerb einer Geißel möglich
Es gibt viele Beispiele dafür, dass genetische Veränderungen, die zu angepassten neuen Ausprägungen (Phänotypen) führen, nicht völlig zufällig sind (Borger 2019). Am besten untersucht sind Mikroben, die unter starker Selektion kultiviert wurden und dann oft schnell und unabhängig voneinander ähnliche neue Phänotypen annahmen (Fong 2005). Das bekannteste Beispiel ist das Auftreten von E.-coli-Bakterien, die Citrat als Kohlenstoffquelle nutzen können, während dies ihren Vorfahren nicht möglich war (Blount et al. 2008). Dies wurde als ultimativer Beweis für die darwinistische Evolution gepriesen. Später wurde nachgewiesen, dass Citrat-verwertende E.-coli-Stämme in nur 12 bis 100 Generationen entstehen können, wenn eine hochintensive Selektion unter Mangelbedingungen durchgeführt wird (Van Hofwegen 2016). Außerdem zeigte sich, dass dieselben Loci (Genorte) beteiligt waren und dass die Umstrukturierung der DNA durch die gleiche Klasse von Mutationen erfolgte, die zuvor identifiziert wurden. Die Evolution wiederholt sich und scheint vorprogrammiert zu sein. Trotz häufiger Beobachtungen von wiederholten Ereignissen dieser Art fehlte bislang ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden Genetik.
In einer aktuellen Studie wurde ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für wiederholbare genetische Veränderungen beim Bodenbakterium Pseudomonas fluorescens festgestellt (Horton 2021). Zur Fortbewegung ist diese Mikrobe mit einer motorisierten Geißel, einer Art Außenbordpropeller, ausgestattet. Es gibt aber auch unbewegliche Varianten von P. fluorescens ohne Geißel. In einer Umgebung, in der es reichlich Nahrung oder keine Fressfeinde gibt, stellt der Verlust der Geißel keinen Fitnessnachteil dar. Vielmehr könnte der Aufwand, diese komplizierte Struktur zu bilden, in solchen Umgebungen ein Nachteil sein. Eine faszinierende Beobachtung bei P. fluorescens ist, dass Populationen ohne Geißeln diese leicht wieder erwerben können. Wie ist es möglich, dass eine so komplexe Struktur wie das Flagellum fast nach Belieben verloren und wiedergewonnen werden kann?
In der Studie wurden zwei Stämme von P. fluorescens, bekannt als AR2 und Pf0-2x, verwendet, um die Mechanismen zu ermitteln, die für das beobachtete wiederholte erneute Auftreten von Geißeln verantwortlich sind. Beide unbeweglichen Stämme sind genetisch betrachtet ähnliche Varianten des Bakteriums, die unter starker Selektion die Geißel-vermittelte Beweglichkeit schnell wiedergewinnen können. Und dies geschieht unabhängig voneinander in verschiedenen Kulturen.
Die Studie zeigte, dass die gezüchteten AR2-Linien die Beweglichkeit durch eine vielfach wiederholbare Mutation desselben Nukleotids erlangten: In über 95 % der Stämme war das genau gleiche Nukleotid beteiligt. Die Beweglichkeit von Pf0-2x hingegen entwickelte sich über eine Reihe von Mutationen im gleichen ntrB-Locus (Genbereich für den Stickstoffregulationsweg, ntr). Die betreffende Position bei AR2 ist somit ein Hotspot; d. h. hier treten besonders häufig Mutationen auf. Die Forscher stellten fest, dass sechs stille Nukleotide in der lokalen Region um den Hotspot im ntrB-Gen von AR2 für den Hotspot erforderlich sind. Sie werden „still“ genannt, weil sie an dritter Stelle im Triplett-Code stehen und bei der Translation des entsprechenden Gens dieselbe Aminosäure ins Protein eingefügt wird, es wird also das gleiche Polypeptid synthetisiert. Dies ist der Fall, weil aufgrund der Redundanz des genetischen Codes in diesen Fällen die dritte Position keinen Einfluss auf die codierte Aminosäure hat. Wenn aber diese stillen Nukleotide so verändert wurden, dass sie mit der Sequenz von Pf0-2x übereinstimmten, verschwand der Hotspot, d. h. es traten an dieser Position keine Mutationen mehr auf.
Bei AR2 wird der bewegliche Phänotyp in unabhängigen Linien durch eine wiederholbare de-novo-Mutation im ntrB-Locus erreicht. Die parallele Entstehung der gleichen ntrB-Mutanten ist bemerkenswert, da in allen Fällen derselbe Locus betroffen ist, während die Pf0-2x-Linien ihre Beweglichkeit durch Mutationen in der gesamten ntr-Regulationshierarchie entwickeln (Horton 2021).
Die Autoren der Studie bezeichnen die Mutation bei AR2 als einen „deterministischen Hotspot für Mutationen“. Sie kommen zum Schluss, dass ihre „... Arbeit eine Schlüsselrolle für stille genetische Variationen bei der Bestimmung von Anpassungsergebnissen aufzeigt. Hotspots für Mutationen können evolutionäre Ergebnisse bestimmen und die Evolution wiederholbar machen.“
Obwohl die Autoren belegen, dass die Sequenz und Identität der Nukleotide der DNA von größter Bedeutung sind, haben sie den zugrundeliegenden molekularbiologischen Mechanismus nicht wirklich erklärt. Ihre Daten deuten darauf hin, dass es zusätzliche codierte Information im genetischen (oder: Protein-) Code gibt, die bestimmen, wo Mutationen auftreten. Aber wie kommen sie zustande und warum an dieser Position?
Sicher ist jedenfalls, dass Organismen mit solchen Sequenz-determinierten Hotspots nicht auf zufällige Mutationen warten müssen. Sie können sofort reagieren und sich anpassen. Das hat weitreichende Konsequenzen. Genetische Mechanismen, die praktisch nutzbare Variationen hervorrufen – und dieses Beispiel bei Pseudomonas ist nur ein weiteres von vielen –, reduzieren die Rolle der natürlichen Selektion in diesem Zusammenhang dramatisch.
[Blount ZD, Borland CZ & Lenski RE (2008) Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. PNAS 105, 7899–7906 • Borger P (2019) Artübergreifende wiederkehrende Mutationen. Stud. Integr. J. 26, 77–85 • Fong SS, Joyce AR & Palsson BØ (2005) Parallel adaptive evolution cultures of Escherichia coli lead to convergent growth phenotypes with different gene expression states. Genome Res. 15, 1365–1372 • Horton JS et al. (2021) A mutational hotspot that determines highly repeatable evolution can be built and broken by silent genetic changes. Nat. Commun. 12, 6092 • Van Hofwegen D et al. (2016) Rapid Evolution of Citrate Utilization by Escherichia coli by Direct Selection Requires citT and dctA. J. Bacteriol. 198, 1022–1034] P. Borger