„Parasitäre DNA“ stabilisiert Multigen-Familien

Der größte Teil des Genoms eines Organismus codiert nicht für Proteine. Seine Funktion war lange Zeit unklar, und die Sequenzen wurden oft als „Junk-DNA“, „egoistische“ oder „parasitäre DNA“ bezeichnet. Diese Bezeichnungen luden nicht gerade dazu ein, diesen noch unbekannten Teil des Genoms genauer unter die Lupe zu nehmen, aber vor Kurzem begannen Wissenschaftler, sich damit zu befassen. Je mehr sie ihn untersuchen, desto mehr – oft unerwartete – Funktionen finden sie. Eine neue Studie beschreibt, wie solche DNA-Sequenzen Multigen-Familien stabilisieren.

Mit einem Stern* ver­sehene Begriffe werden im Glossar erklärt.

In der Biologie steht der Begriff „Gen“ für eine Einheit der genetischen Information im Erbgut. Im Hinblick auf die funktionale Information, die ein Gen enthält, können wir zwei Arten von Genen unterscheiden: RNA*-codierende Gene und Protein-codierende Gene (kurz: RNA-Gene und Protein-Gene). Die in RNA-codierenden Genen enthaltene Information wird nur transkribiert (von DNA in RNA umgeschrieben), und nach der Verarbeitung ist das funktionelle Produkt fertig: ein regulatorisches oder strukturelles RNA-Molekül. Proteincodierende Gene werden hingegen nicht nur transkribiert, sondern auch weiterverarbeitet (z. B. durch Splicing*) und dann entschlüsselt und in funktionelle Aminosäuresequenzen (Proteine) übersetzt (Translation).

Die Output-Menge beider Arten von Genen, das ist die Menge an transkribierter RNA bzw. weiterverarbeiteter Produkte, ist immer begrenzt. Dies liegt daran, dass der RNA-Menge bzw. der Proteinmenge, die pro Zeiteinheit erzeugt werden kann, biophysikalische Grenzen gesetzt sind. Bei RNA-Genen setzen die Transkription und die Verarbeitung die physikalischen Grenzen. Bei Protein-Genen ist es etwas komplizierter. Auch hier ist der erste Schritt die Transkription eines RNA-Moleküls, das nun aber als Zwischeninformationsmolekül fungiert: die messenger-RNA (mRNA). Zur Herstellung eines Proteins wird die mRNA von einer ex­trem komplexen molekularen Maschinerie entschlüsselt und übersetzt (bei der Translation). Wie viel von einem solchen Protein schließlich hergestellt wird, hängt wiederum von anderen Informationen ab, die in der mRNA enthalten sind. Die Vorgänge bei der Transkription und Translation begrenzen also die Menge, die hergestellt werden kann. Aufgrund dieser biophysikalischen Beschränkungen kann ein Protein-codierendes Gen nur eine begrenzte Menge an Protein pro Zeiteinheit produzieren.

Aufgrund der biophysikalischen Beschränkungen kann ein Proteincodie rendes Gen nur eine begrenzte Menge an Protein pro Zeiteinheit produzieren.

Figure 1. Abb. 1 RNA-codierende Gene werden durch Transkription in RNA-Gene als Output (1.) umgeschrieben. Protein-codierende Gene werden durch Transkription (1.) in mRNA umgeschrieben, diese wird ggf. bearbeitet (Splicing). Anschließend wird die (bearbeitete) RNA durch Translation (2.) mittels tRNAs in eine Aminosäure-Kette übersetzt. Diese Kette wird zum finalen Protein (Output) gefaltet. (B. Scholl nach Wikimedia: Gemeinfrei sowie Pinguin.tk using PDB structure 1EFN and RasMol., CC BY-SA 3.0)

Wie werden große Mengen von Protein erzeugt?

Bestimmte Proteine werden jedoch in sehr großen Mengen benötigt, viel mehr, als es die biophysikalischen Gegebenheiten bei der Transkription und Translation erlauben; zum Beispiel bei Zellteilungen: Der Bedarf an bestimmten RNA-Molekülen und Proteinen ist dann so groß, dass ein Gen bei Weitem nicht ausreichen würde. Wie können Zellen mit einer solchen Situation fertig werden? Es stellte sich heraus, dass das Genom (= das gesamte Erbgut) sehr viele Kopien von solchen Genen enthält. Diese Gene werden als „high abundance genes“ (Gene mit hoher Anzahl von Kopien) bezeichnet. Wie ihr Name schon sagt, kommen sie in sehr großen Mengen (Abundanz) vor. Die beeindruckendste Abundanz von Genen findet sich bei den sogenannten Ein-Schritt-Output-Genen, die strukturelle RNA-Moleküle wie ribosomale RNA (die rRNA bildet Ribosomen zur Eiweißherstellung), Transfer-RNA (tRNA transportiert Aminosäuren) und heteronukleare RNA (unbearbeitete RNA) codieren. Diese funktionalen Endprodukte sorgen dafür, dass der biologische Informationsfluss von der DNA zu funktionalen Proteinen einwandfrei verläuft. Mit anderen Worten: Sie übersetzen die genetische Information in Proteine. Sie werden in großen Mengen benötigt, um den Bedarf des Organismus an der Synthese von Proteinen zu decken. Das menschliche Genom hat zum Beispiel 500 identische ribosomale RNA-Gene. Noch beeindruckender sind die etwa 20.000 identischen ribosomalen RNA-Gene im Genom des Krallenfroschs Xenopuslaevis (Watson et al. 1987).

Denken wir einmal über diese Beobachtungen nach. Wie können Tausende von Kopien desselben Gens über viele Generationen stabil im Genom verbleiben? Es ist nicht schwer zu verstehen, warum Mutationen (Erbgutfehler) in einzigartigen Genen, die nur einmal im Genom vorkommen, zu beeinträchtigten Nachkommen führen könnten – insbesondere, wenn sie ein Produkt codieren, das eine wichtige Funktion erfüllt. Mutationen, die wesentliche Funktionen beeinträchtigen, führen zum Tod oder würden den Organismus wenigstens in der Fortpflanzung benachteiligen. Aber kann eine schädliche Mutation in einer von 500 oder gar 20.000 identischen Kopien zu einem Fortpflanzungsnachteil führen?

Es ist schwer vorstellbar, dass der Verlust einer oder mehrerer dieser vielen Kopien den Organismus benachteiligen oder behindern würde. Unsere biologische Intuition widerspricht der Vorstellung, dass ein Defekt in einer einzigen von 20.000 gleichen Kopien überhaupt irgendeine Auswirkung auf die Fitness des Organismus haben könnte. Eine Kopie mehr oder weniger scheint doch keine Rolle zu spielen. Es sind immer noch mehr als genug funktionale Kopien vorhanden, um den normalen Betrieb aufrechtzuerhalten. Wenn der Verlust einer Kopie harmlos ist, warum sollte es der Verlust von 20 sein? Oder von 1000, wenn dann noch 19.000 übrigbleiben?

Figure 2. Abb. 2 Bäckerhefe (Saccharomycescerevisiae) unter dem Rasterelektronen­mikroskop: Hefezellen mit Sprossungsnarben. Die intergenen Sequenzen im Erbgut der Bäckerhefe liefern funktionelle Sequenzen, die den Verlust von Genen verhindern. (Wikimedia: Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy, CC BY-SA 3.0).

Multigen-Familien als evolutionstheoretisches Problem

Die Tatsache, dass wir in den Organismen verbreitet solche Multigen-Familien* mit Kopien vieler Gene finden, stellt ein großes Problem für die Evolutionstheorie dar, denn die Selektion (Auslese) kann in solchen Fällen einzelne Kopien nicht vor der Anhäufung von Mutationen und dem Zerfall bewahren. Ebenso wenig kann die Selektion verhindern, dass Kopien verloren gehen. Das liegt daran, dass es so viele Kopien gibt, dass auf einzelne Kopien praktisch kein Selektionsdruck* ausgeübt werden kann. Mit der Zeit gehen also Kopien durch Mutationen verloren. Geschieht dies in Keimzellen – Zellen, aus denen Ei- und Samenzellen hervorgehen – kann dies zu Unfruchtbarkeit und damit zu einem schnellen Aussterben führen.

In Multigen-Familien sollten also wegen des Fehlens des Selektionsdrucks Mutationen überall zu beobachten sein, insbesondere über Millionen von Jahren evolutionärer Zeit. Aberrante (abweichende) und degenerierte Gene müssten überall in den Genomen der Lebewesen zuhauf zu finden sein. Im Gegensatz zu diesen Erwartungen sind die einzelnen Kopien von Multigen-Familien aber in der Regel identisch. So finden wir beispielsweise bei den fünfhundert Kopien der ribosomalen RNA-Gene des Menschen praktisch keine Mutationen (bzw. Abweichungen voneinander). Es besteht also eine deutliche Diskrepanz zwischen der evolutionären Erwartung und der empirischen Beobachtung. Diese Diskrepanz ist als das Paradoxon der Multigen-Familie bekannt (Watson et al. 1987).

Überraschenderweise unterscheiden sich die etwa 500 Kopien der ribosomalen RNA-Gene des Menschen fast nicht voneinander.

Es wurde daher vermutet, dass es einen molekularen Mechanismus in der DNA geben muss, der dieses Paradoxon irgendwie auflöst. Bei Saccharomyces cerivisiae, auch als Bäckerhefe bekannt, wurde angenommen, dass die Sequenzen zwischen den repetitiven (sich wiederholenden) Genen Regionen für gezielte chromosomale Rekombinationen* enthalten, die zu Genumwandlungen und/oder ungleichen Chromatid*-Austauschen führen. Infolgedessen werden Kopien der Multigen-Familie ausgetauscht oder hinzugefügt, wodurch die Multigen-Familien stabilisiert werden. Die intergenen Sequenzen (zwischen den Genen auf der DNA) liefern somit funktionale Sequenzen, die den Verlust von Genen verhindern (Keil & Roeder 1984).

Neue Forschungsarbeiten, die von Mitgliedern des Whitehead Institute (USA) an Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) durchgeführt wurden, enthüllten den molekulargenetischen Mechanismus, der für diese Stabilisierung sorgt: die Wirkung von Retrotransposons* (Nelson et al. 2023). Für die Forscher war dies eine große Überraschung, denn „vor dieser Entdeckung wurden Retrotransposons überwiegend als genetische Parasiten betrachtet, da sie nur zu existieren schienen, um sich selbst zu replizieren“ (Friar 2023). Aus diesem Grund werden sie gewöhnlich als endogene Retroviren* bezeichnet. Der Name rührt von der evolutionär geprägten Vorstellung her, es handle sich um Überbleibsel von früheren Invasionen von Retroviren. Im Schöpfungs-Paradigma werden Retrotransposons in der Regel als funktionelle regulatorische und strukturelle Elemente betrachtet, daher liegen die neuen Forschungsergebnisse im Rahmen der Erwartungen (Borger 2018; 2023). Die neuen Erkenntnisse stellen die evolutionäre Vorstellung, dass diese Elemente parasitäre endogene Retroviren seien, verstärkt in Frage.

Die neuen Erkenntnisse stellen die evolutionäre Vorstellung, dass es parasitäre endogene Retroviren gebe, verstärkt in Frage.

Figure 3. Abb. 3 Im Erbgut der Fruchtfliege (Drosophila) können die ribosomalen Gene mit Hilfe eines Retrotransposons (R2) nach Beschädigungen wiederhergestellt werden. (Wikimedia: André Karwath aka Aka, CC BY-SA 2.5)

Im Erbgut von Drosophila gibt es zwei multigene Cluster von ribosomalen RNA-Genen, die zusammen etwa 500 identische Kopien enthalten (Tartof 1971; Tautz et al. 1988). Die Forschung hat nun herausgefunden, dass diese ribosomalen Gene mit Hilfe eines Retrotransposons, genannt R2, nach Beschädigung wiederhergestellt werden (Nelson et al. 2023).

Wie alle sich sexuell fortpflanzenden Organismen haben Fruchtfliegen ein diploides Genom, was bedeutet, dass sie alle genetischen Informationen zweifach besitzen. Das liegt daran, dass die Individuen je einen Chromosomensatz von beiden Elternteilen vererbt bekommen. Die Forscher fanden heraus, dass R2-Retrotransposons, welche sich in sich teilenden Zellen der Fruchtfliege befinden, beide Chromosomen aufschneiden, die die ribosomalen DNA-Cluster* enthalten. Wenn die Zelle beginnt, diese Brüche zu reparieren, verliert sie aufgrund der repetitiven Natur der Gene Teile der DNA-Sequenz und heftet stattdessen einen Abschnitt der ribosomalen DNA-Wiederholungen aus einer Kopie des Chromosoms an die andere Kopie des Chromosoms. Dies führt dazu, dass eine der Tochterzellen am Ende mehr Wiederholungen in ihrer ribosomalen DNA hat als die ursprüngliche Zelle, während die andere Tochterzelle weniger Wiederholungen hat (Abb. 4). Die Keimzellen können somit ihr Weiterbestehen schützen, indem sie dafür sorgen, dass die Zelle mit mehr ribosomalen RNA-Genen diejenige ist, welche in der Keimbahn am Leben erhalten wird (Friar 2023).

Der von den Evolutionstheoretikern geprägte Begriff „parasitäre DNA“ (auch als „egoistische DNA“ oder „Junk-DNA“ bezeichnet) für repetitive DNA-Sequenzen mit unbekannter Funktion stellt sich somit erneut als Fehlbezeichnung heraus. Schon das ENCODE-Projekt hatte gezeigt, dass die DNA um Größenordnungen mehr funktionale Bereiche aufweist, als es aufgrund evolutionärer Annahmen zu erwarten war (Borger 2021).

Der von den Evolutionstheoretikern geprägte Begriff „parasitäre DNA“ für repetitive DNA-Sequenzen mit unbekannter Funktion stellt sich als eine Fehlbezeichnung heraus.

Figure 4. Abb. 4 A Modell der Instabilität von repetitiver DNA. Durch Überkreuzungen verschwinden Teile des Chromatids und die Anzahl der Gene verringert sich mit der Zeit. B Schema der Erweiterung der ribosomalen DNA-Kopienzahl durch ungleichen Austausch von Schwesterchromatiden bei Doppelstrangbrüchen in ribosomalen RNA-Genen. Durch Rekombination zwischen verschobenen Kopien entsteht ein ungleicher Austausch von Schwesterchromatiden, der die Anzahl der Kopien auf einem Chromatid erhöht. Dies wird durch das Retrotransposon R2 in Drosophila vermittelt. C In der Metaphase (also während der Zellteilung) bestehen die Chromosomen aus 2 Chromatiden, die hier mit den Zahlen 1 und 2 gekennzeichnet sind. Auch in A und B bezeichnen die Zahlen 1 und 2 die beiden Chromatiden. (A und B nach Nelson et al. 2023)

Fazit

Vielfältige und äußerst komplexe Mechanismen zur Reparatur und Harmonisierung von Genen zeigen, wie wichtig es ist, viele Kopien identischer Gene zu besitzen. Sie verhindern nicht nur den Tod und das Aussterben von Organismen, sondern auch die Anhäufung von Mutationen bei duplizierten Genen. So bleiben die Gene unverändert – und zwar aufgrund bereits existenter genetischer Programme im Erbgut und nicht aufgrund einer stabilisierenden (d. h. den ursprünglichen Zustand erhaltenden) Selektion. Harmonisierungsmechanismen in den Zellen verhindern somit auch genau das, was für die darwinistische Höherentwicklung eigentlich erforderlich ist: das Entstehen neuer genetischer Information. Und das vor allem in duplizierten Genen – obwohl Susumu Ohno in seinem berühmten Werk Evolution by Gene Duplication ja gerade die Anhäufung von Mutationen in duplizierten Genen, welche keinem erhöhtem Selektionsdruck unterliegen, als Evolutionsmechanismus postuliert hat (Ohno 1970). Einmal mehr zeigt sich: Je mehr das Erbgut der Zelle erforscht wird, desto offensichtlicher ist es, dass wir es mit genial ausgeklügelten Mechanismen zu tun haben, die auf einen Schöpfer hinweisen.

Harmonisierungsmechanismen in den Zellen verhindern letztlich dar­winistische Höherentwicklung.

Glossar

Chromatid: Halbes Chromosom bestehend aus einem langen DNA-Faden.

Chromosomale Rekombination: Teile von Chromosomen können bei der Keimzellbildung (Meiose) innerhalb desselben Chromosoms oder zwischen verschiedenen Chromosomen ausgetauscht werden; dies erhöht die Vielfalt.

DNA-Cluster: Bestehen aus mindestens zwei Genen der gleichen Genfamilie, die häufig nahe beieinander auf der DNA angesiedelt sind.

Endogener Retrovirus: ➝ Retrotransposon; genetisches Element eukaryontischer Genome, das sich durch einen Copy-Paste-Mechanismus vermehrt. Evolutionstheoretiker interpretieren sie als die Überbleibsel von uralten integrierten Retroviren.

Multigen-Familie: Gruppe von Genen mit ähnlicher bzw. identischer DNA-Sequenz, deren Genprodukte ähnliche Funktionen besitzen; es wird daher ein gemeinsamer Ursprung dieser Gene vermutet.

Retrotransposon: Eine DNA-Sequenz, die sich im Genom über einen Copy-Paste-Mechanismus vermehrt.

RNA: Ribonukleinsäure, kurze, einsträngige Kopie der DNA (mit Uracil statt Thymin).

Selektionsdruck: Wirkung der Selektion auf eine Population. Eine solche Wirkung ist nur gegeben, wenn genetische Merkmale eine positive oder negative Auswirkung auf den Fortpflanzungs­erfolg eines Lebewesens haben.

Splicing: Komplexe Weiterverarbeitung der mRNA zur reifen mRNA bei Eukaryonten (Lebewesen mit echtem Zellkern).

Literatur

Borger P (2018) Darwin Revisted – How to understand biology in the 21st century. Scholars’ Press. https://www.amazon.de/-/en/Peter-Borger/dp/6202315113.

Borger P (2021) Wenn ENCODE richtig liegt, dann ist Evolution falsch. Stud. Integr. J. 28, 30–37.

Borger P (2023) Über den Entwurf des Lebens: Mobile genetische Elemente. Genetische Quellen der Anpassungsfähigkeit. Stud. Integr. J. 30, 22–31.

Friar G (2023) A „Genetic Parasite“ – The Secret Protector of Fertility. Science Daily, 21.06.2023, https://scitechdaily.com/a-genetic-parasite-the-

secret-protector-of-fertility/.

Keil RL & Roeder GS (1984) Cis-acting, recombination-stimulating activity in a fragment of the ribosomal DNA of S. cerivisiae. Cell 39, 377–386.

Nelson JO et al. (2023) The retrotransposon R2 maintains Drosophila ribosomal DNA repeats. Proc. Natl. Acad. Sci. 120 (23), e2221613120, https://doi.org/10.1073/pnas.2221613120.

Ohno S (1970) Evolution by Gene Duplication. Springer Verlag. https://link.springer.com/book/10.1007/

978-3-642-86659-3.

Tartof KD (1971) Increasing the multiplicity of ribosomal RNA genes in Drosophila melanogaster. Science 171, 294–297.

Tautz D et al. (1988) Complete sequences of the rRNA genes of Drosophila melanogaster. Mol. Biol. Evol. 5, 366–376.

Watson J et al. (1987) Molecular biology of the gene. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., California.