Medizin-Nobelpreis, microRNA und der Birkenspanner
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Zu den spannendsten Entdeckungen in der Genetik in den letzten Jahrzehnten gehört die microRNA. Das sind kurze RNA-Moleküle aus ca. 20 Nukleotiden, die wichtige regulatorische Aufgaben haben, z. B. in der Embryonalentwicklung. Für deren Entdeckung wurde der Medizin-Nobelpreis 2024 vergeben. Eine aktuelle Studie gibt Hinweise darauf, dass microRNA auch eine Rolle bei der Flügelfärbung des als Evolutionsbeispiel bekannten Birkenspanners spielt. Demnach sind dessen Farbvarianten kein Fall von Evolution, sondern von Steuerung, die durch Umweltfaktoren ausgelöst wird – ein deutlicher Hinweis auf Design anstelle von zufallsgetriebener Evolution.
Was ist microRNA?
Der Nobelpreis für Medizin 2024 ging an die beiden Biologen Victor Ambros und Gary Ruvkun für ihre Entdeckung, dass kurze RNA-Stücke, sogenannte microRNAs (kurz miRNA, s. Abb. 1), eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Genaktivität in Tieren und Pflanzen spielen. Diese kurzen RNA-Sequenzen sind meist nur 21–23 Nukleotide lang und oft haarnadelförmig gefaltet. Sie sind von besonderer Bedeutung, weil eine einzige microRNA gleichsam als genetischer Schalter viele verschiedene Gene regulieren kann, wobei Umwelteinflüsse wie z. B. Stressfaktoren als Auslöser wirken können (Barciszewska-Pacak et al. 2015). Umgekehrt kann ein einzelnes Gen auch durch mehrere microRNAs reguliert werden.
Figure 1. Abb. 1: Oben der Fadenwurm Caenorhabditiselegans, ein häufiger Modellorganismus der molekulargenetischen Forschung. Darunter: Beispiele für micro-RNAs (miRNAs); die reifen miRNAs sind rot dargestellt: Mittig miRNA lin-4 von C. elegans und unten mRNA miR-1 des Menschen. (Tormikotkas, CC BY-SA 3.0; VTD, CC BY-SA 4.0; jeweils Wikimedia)
Erstmals in den 1990er-Jahren von Ambros und Ruvkun entdeckt, erfuhr die microRNA zunächst noch keine besondere Beachtung. Denn die damals im Fadenwurm Caenorhabditis elegans nachgewiesene microRNA lin-4 steuert nur ein einziges Gen (Lee et al. 1993). Es wurde angenommen, dass seine Funktionsweise spezifisch für Fadenwürmer und somit nicht von allgemeiner Bedeutung ist.1 Im Jahr 2000 meldete Ruvkun die Entdeckung einer weiteren microRNA namens let-7. Diese steuert fünf Gene; und es stellte sich heraus, dass let-7 im Tierreich weit verbreitet ist. Fortan war das Interesse an microRNA erwacht. Inzwischen wurden viele Tausende davon in einer Vielzahl von Organismen entdeckt. Man kann von einer bedeutenden Entdeckung sprechen, da micro-RNAs einen zuvor unbekannten Teil der Genregulation darstellen. Diese Genregulationen sind wichtig für die Vorgänge während der Embryonalentwicklung sowie für physiologische Abläufe. Außerdem ermöglichen sie ein besseres Verständnis von Krankheiten wie Krebs – und es gibt Hoffnungen, mit diesen Kenntnissen Krankheiten behandeln zu können.
Wie wirkt microRNA?
Bekanntlich finden sich die Anweisungen für die Herstellung von Proteinen in der DNA des Zellkerns. RNA-Kopien, sogenannte messenger-RNAs (mRNA, „Boten-RNA“), übermitteln diese Informationen an die „Proteinfabriken“ (Ribosomen) außerhalb des Zellkerns. Auf dem Weg von der DNA zur mRNA und weiter zu den Ribosomen kann die Genaktivität (Genexpression) auf zwei Weisen kontrolliert bzw. unterdrückt werden: Erstens dadurch, dass die Bildung von mRNA von vornherein verhindert wird (transkriptionelle Kontrolle). Zweitens kann man verhindern, dass die mRNA die Ribosomen erreicht (posttranskriptionelle Kontrolle). Beide Mechanismen ermöglichen eine präzise und gezielte Steuerung der Genexpression, bis hin zur vollständigen Unterdrückung. MicroRNAs funktionieren auf die zweite Art und Weise (posttranskriptionell). Ihre Sequenz ist komplementär zu einem Teil einer oder mehrerer mRNAs. Wenn eine microRNA an ihre komplementäre Sequenz auf einer mRNA bindet, führt dies in der Regel zum Abbau dieser mRNA, bevor ein Protein gebildet werden kann. Und somit ist das betreffende Gen ausgeschaltet und die Nutzung der Geninformation kann durch diesen Mechanismus gesteuert werden.
Der Birkenspanner
Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Flügelfärbung des als Evolutionsbeispiel berühmt gewordenen Birkenspanners (Bistonbetularia, Abb. 2)durch microRNA mitgesteuert wird.
Figure 2. Abb. 2: Die helle und die dunkle Farbvariante des Birkenspanners bei der Paarung. Der Melanismus dieser Tiere hängt mit nicht-codierenden RNAs zusammen. (Siga, CC BY-SA 4.0)
Der Birkenspanner galt lange Zeit als Paradebeispiel für das Zusammenspiel von Mutation (zufälligen Veränderungen des Erbguts) und Selektion (Auslese). Die „Lehrbuchgeschichte“ lautet in Kurzform wie folgt: Als im Zuge der Industrialisierung in England die hellen Borken von Birken zunehmend verschmutzt wurden bzw. helle Flechten auf den Borken abstarben, waren die hell gesprenkelten Birkenspanner auf ihren Ruheplätzen nicht mehr so gut getarnt und wurden leichter Opfer von Fressfeinden (Selektion). An ihrer Stelle konnte sich eine mutmaßlich durch eine Mutation entstandene dunkle Variante, die mehr Melanin als dunklen Farbstoff in die Flügelschuppen einlagert, aufgrund ihrer nunmehr besseren Tarnung ausbreiten. Das Beispiel wurde als Industriemelanismus bekannt.
Eine Untersuchung von Van‘t Hof et al. (2016) hat dann aber gezeigt, dass die dunklen B. betularia-Formen im Zusammenhang mit einem springenden Gen (Transposon) stehen, also einem beweglichen DNA-Abschnitt, der seine Position im Genom selbstständig verändern kann. Dieses Transposon baut sich in einem Bereich des Chromosoms 17 in das Gen cortex ein, was die Melaninsynthese auf bisher unbekannte Weise beeinflusst.
Kürzlich stellten jedoch ffrench-Constant2 & Hayward (2024) Befunde zusammen, wonach der Melanismus bei verschiedenen Tieren maßgeblich durch nicht-codierende RNAs, nämlich microRNA und sog. lncRNA (long non-coding RNA) gesteuert wird, unabhängig vom cortex-Gen. Dies gilt auch für Schmetterlinge. Die Autoren verweisen auf drei neue Studien, die Zweifel an der direkten Rolle von cortex bei der Steuerung des Melanin-Schalters aufkommen lassen und stattdessen auf die lnc-RNA ivory und die microRNA mir-193 hinweisen, die an der gleichen Stelle im Genom codiert werden. mir-193 verursacht beim Schmetterling Bicyclusanynana (Familie Nymphalidae, Abb. 3) größere Veränderungen in der Transkription (Übersetzung von DNA in mRNA) während der späten Verpuppung, dem Zeitpunkt, an dem die unterschiedliche Schuppenentwicklung und die damit verbundene Pigmentierung erfolgt. Ähnliche Ergebnisse wurden beim Weißling Pieris canidia (Abb. 3) erzielt; dieser Falter gehört zu einer anderen Familie, den Pieridae. Dies deutet darauf hin, dass mir-193 auch bei weitläufig verwandten Schmetterlingen Auswirkungen hat. Auch beim Birkenspanner ist mir-193 präsent, eng verbunden mit dem cortex-Genort. Daraus kann man schließen, dass mir-193 auch bei dieser Art eine Rolle bei der dunklen Färbung spielt. Die Funktion von mir-193 über Schmetterlingsfamilien hinweg, die sich gemäß evolutionstheoretischer Deutung seit 90 Millionen Jahren auseinanderentwickelt haben sollen, ist demnach konserviert – bzw. in nicht-evolutionärer Sprache praktisch identisch, möglicherweise über die Ordnung der Schmetterlinge hinaus (ffrench-Constant et al. 2024, R903).
Figure 3. Abb. 3: Bei folgenden Schmetterlingen spielt die microRNA mir-193 eine Rolle während der späten Verpuppung, wennSchuppenentwicklung und Pigmentierung erfolgen: Beim Edelfalter Bicyclusanynana und beim Weißling Pieris canidia. (Charles J. Sharp, sharpphotography.co.uk, CC BY-SA 4.0; Pushpa CR, CC BY-SA 4.0)
MiRNAs wurden als vorgelagerte Schalter bei der Melaninproduktion in Fischen, Schalentieren, Reptilien und Säugetieren identifiziert.
Die Autoren schreiben weiter: „Die Bedeutung von miRNAs während der Schmetterlingsentwicklung wird durch jüngste Belege dafür untermauert, dass zwei miRNAs den Ecdyson-Stoffwechselweg im grün geäderten weißen Schmetterling Pieris napi [d. i. unser heimischer Rapsweißling] regulieren und wahrscheinlich eine Rolle bei der Diapause [Entwicklungsruhe bei vermindertem Stoffwechsel] spielen. Generell könnten nicht-codierende RNAs, einschließlich microRNAs, eine derzeit unterschätzte Rolle als Schlüsselschalter in genregulatorischen Netzwerken spielen, die möglicherweise die phänotypische Evolution erleichtern, nicht zuletzt bei Pigmentierung und Melanisierung. So wurden in mehreren Studien miRNAs – vereinfacht gesagt – als vorgelagerte Schalter3 bei der Melaninproduktion in Fischen, Schalentieren, Reptilien und Säugetieren identifiziert [...]. Fälle bei Muscheln wirken sich häufig auf die Schalenfarbe aus, die bei Weichtieren an verschiedenen adaptiven Funktionen beteiligt ist, darunter Thermoregulation und Tarnung.“
Kommentar
Die im vorangehenden Zitat gemachte Behauptung, microRNAs würden möglicherweise Evolution erleichtern, und – an anderer Stelle – sie würden sogar einen Beitrag zur Evolution komplexer Lebensformen leisten (Gallagher 2024)4, ist allerdings nicht begründet. Vielmehr sind microRNAs für die Differenzierung von verschiedenen Zelltypen auf Grundlage desselben Erbguts im Körper verantwortlich. Dabei handelt es sich um einen Steuerungsprozess, der nichts mit Zufall und Evolution zu tun hat, sondern auf Planung verweist. Erforderlich sind dafür interne Sensoren, durch die die Umweltverhältnisse wahrgenommen werden, auf die angepasst reagiert wird. Schalter in Organismen und damit verknüpfte microRNA erzeugen Variationen auf der Basis von Planung und Voraussicht – und nicht durch zufällige Mutationen und natürliche Selektion. Ohne solche Systeme könnten die Organismen nicht auf Umweltschwankungen reagieren und müssten darauf warten, dass unwahrscheinliche vorteilhafte Mutationen zufällig entstehen. Doch das dauert viel zu lange. Schon die Wartezeit für nur zwei koordinierte Mutationen erfordert nachweislich lange Zeiträume (Hössjer et al. 2021; Durrett & Schmidt 2008). Darüber hinaus entziehen sich microRNAs einer Evolution, da eine microRNA oft Hunderte von mRNAs reguliert, die in biologische Signalwege integriert sind. Mutationen hätten weitreichende Folgen und könnten sich kaum durchsetzen (Terborg & Truman 2007).
MiRNAs ermöglichen einen Steuerungsprozess, der nichts mit Zufall und Evolution zu tun hat, sondern auf Planung verweist.
MicroRNA ist eine von mehreren Bausteinen der genetischen Reaktionsmöglichkeiten, die Organismen kurzfristige Anpassungen aufgrund von Signalen aus der Umwelt ermöglichen, ohne auf das Auftreten glücklicher Mutationen warten zu müssen. Ihre Herkunft liegt aus evolutionstheoretischer Sicht im Dunkeln.
Anmerkungen
1 https://www.newscientist.com/article/2450800-nobel-prize-for-medicine-goes-to-the-pair-who-discovered-microrna/ (aufgerufen an 18. 11. 2024).
2 ffrench ist kein Tippfehler.
3 Es handelt sich nicht wirklich um Schalter, sondern um Gene, die die mRNAs der Pigmentgene durch miRNAs (ebenso Genprodukte) destabilisieren, sodass ihre Expression verringert wird. Die miRNA-Gene selbst werden durch genetische Elemente wie Promotoren und Enhancer (einschließlich transponierbarer und transponierter Elemente) reguliert und gesteuert.
4 „Without the ability to control gene expression, every cell in an organism would be identical, so microRNAs helped enable the evolution of complex life forms.“
Literatur
Barciszewska-Pacak M, Milanowska K et al. (2015) Arabidopsis microRNA expression regulation in a wide range of abiotic stress responses. Front. Plant Sci. 6, 410, doi: 10.3389/fpls.2015.00410.
Durrett R & Schmidt D (2008) Waiting for Two Mutations: With Applications to Regulatory Sequence Evolution and the Limits of Darwinian Evolution. Genetics 180, 1501–1509.
ffrench-Constant RH & Hayward A (2024) Melanism: Cryptic control by non-coding RNAs. Curr. Biol. 34, R901–R904.
Gallagher J (2024) Nobel Prize goes to microRNA researchers, vom 07.10.2024, https://www.bbc.com/news/articles/c79nrgp97x9o.
Hössjer O, Bechly G & Gauger A (2021) On the wait-ing time until coordinated mutations get fixed in regulatory sequences. J. theor. Biol. 524, 110657.
Lee RC, Feinbaum RL & Ambros V (1993) The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell 75, 843–854.
Terborg P & Truman R (2007) Ultraconserved sequences pose megaproblems for evolutionary theory. J. Creat. 21, 8–9.
Van’t Hof AE, Campagne P et al. (2016) The industrial melanism mutation in British peppered moths is a transposable element. Nature 534, 102–105.
Zu den spannendsten Entdeckungen in der Genetik in den letzten Jahrzehnten gehört die microRNA.
Das sind kurze RNA-Moleküle aus ca. 20 Nukleotiden, die wichtige regulatorische Aufgaben haben,
z. B. in der Embryonalentwicklung. Für deren Entdeckung wurde der Medizin-Nobelpreis 2024 vergeben.
Eine aktuelle Studie gibt Hinweise darauf, dass microRNA auch eine Rolle bei der Flügelfärbung
des als Evolutionsbeispiel bekannten Birkenspanners spielt. Demnach sind dessen Farbvarianten
kein Fall von Evolution, sondern von Steuerung, die durch Umweltfaktoren ausgelöst wird – ein deutlicher
Hinweis auf Design anstelle von zufallsgetriebener Evolution.
Zu den spannendsten Entdeckungen in der Genetik in den letzten Jahrzehnten gehört die microRNA. Das sind kurze RNA-Moleküle aus ca. 20 Nukleotiden, die wichtige regulatorische Aufgaben haben, z. B. in der Embryonalentwicklung. Für deren Entdeckung wurde der Medizin-Nobelpreis 2024 vergeben. Eine aktuelle Studie gibt Hinweise darauf, dass microRNA auch eine Rolle bei der Flügelfärbung des als Evolutionsbeispiel bekannten Birkenspanners spielt. Demnach sind dessen Farbvarianten kein Fall von Evolution, sondern von Steuerung, die durch Umweltfaktoren ausgelöst wird – ein deutlicher Hinweis auf Design anstelle von zufallsgetriebener Evolution.
Was ist microRNA?
Der Nobelpreis für Medizin 2024 ging an die beiden Biologen Victor Ambros und Gary Ruvkun für ihre Entdeckung, dass kurze RNA-Stücke, sogenannte microRNAs (kurz miRNA, s. Abb. 1), eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Genaktivität in Tieren und Pflanzen spielen. Diese kurzen RNA-Sequenzen sind meist nur 21–23 Nukleotide lang und oft haarnadelförmig gefaltet. Sie sind von besonderer Bedeutung, weil eine einzige microRNA gleichsam als genetischer Schalter viele verschiedene Gene regulieren kann, wobei Umwelteinflüsse wie z. B. Stressfaktoren als Auslöser wirken können (Barciszewska-Pacak et al. 2015). Umgekehrt kann ein einzelnes Gen auch durch mehrere microRNAs reguliert werden.
Figure 1. Abb. 1: Oben der Fadenwurm Caenorhabditiselegans, ein häufiger Modellorganismus der molekulargenetischen Forschung. Darunter: Beispiele für micro-RNAs (miRNAs); die reifen miRNAs sind rot dargestellt: Mittig miRNA lin-4 von C. elegans und unten mRNA miR-1 des Menschen. (Tormikotkas, CC BY-SA 3.0; VTD, CC BY-SA 4.0; jeweils Wikimedia)
Erstmals in den 1990er-Jahren von Ambros und Ruvkun entdeckt, erfuhr die microRNA zunächst noch keine besondere Beachtung. Denn die damals im Fadenwurm Caenorhabditis elegans nachgewiesene microRNA lin-4 steuert nur ein einziges Gen (Lee et al. 1993). Es wurde angenommen, dass seine Funktionsweise spezifisch für Fadenwürmer und somit nicht von allgemeiner Bedeutung ist.1 Im Jahr 2000 meldete Ruvkun die Entdeckung einer weiteren microRNA namens let-7. Diese steuert fünf Gene; und es stellte sich heraus, dass let-7 im Tierreich weit verbreitet ist. Fortan war das Interesse an microRNA erwacht. Inzwischen wurden viele Tausende davon in einer Vielzahl von Organismen entdeckt. Man kann von einer bedeutenden Entdeckung sprechen, da micro-RNAs einen zuvor unbekannten Teil der Genregulation darstellen. Diese Genregulationen sind wichtig für die Vorgänge während der Embryonalentwicklung sowie für physiologische Abläufe. Außerdem ermöglichen sie ein besseres Verständnis von Krankheiten wie Krebs – und es gibt Hoffnungen, mit diesen Kenntnissen Krankheiten behandeln zu können.
Wie wirkt microRNA?
Bekanntlich finden sich die Anweisungen für die Herstellung von Proteinen in der DNA des Zellkerns. RNA-Kopien, sogenannte messenger-RNAs (mRNA, „Boten-RNA“), übermitteln diese Informationen an die „Proteinfabriken“ (Ribosomen) außerhalb des Zellkerns. Auf dem Weg von der DNA zur mRNA und weiter zu den Ribosomen kann die Genaktivität (Genexpression) auf zwei Weisen kontrolliert bzw. unterdrückt werden: Erstens dadurch, dass die Bildung von mRNA von vornherein verhindert wird (transkriptionelle Kontrolle). Zweitens kann man verhindern, dass die mRNA die Ribosomen erreicht (posttranskriptionelle Kontrolle). Beide Mechanismen ermöglichen eine präzise und gezielte Steuerung der Genexpression, bis hin zur vollständigen Unterdrückung. MicroRNAs funktionieren auf die zweite Art und Weise (posttranskriptionell). Ihre Sequenz ist komplementär zu einem Teil einer oder mehrerer mRNAs. Wenn eine microRNA an ihre komplementäre Sequenz auf einer mRNA bindet, führt dies in der Regel zum Abbau dieser mRNA, bevor ein Protein gebildet werden kann. Und somit ist das betreffende Gen ausgeschaltet und die Nutzung der Geninformation kann durch diesen Mechanismus gesteuert werden.
Der Birkenspanner
Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Flügelfärbung des als Evolutionsbeispiel berühmt gewordenen Birkenspanners (Bistonbetularia, Abb. 2)durch microRNA mitgesteuert wird.
Figure 2. Abb. 2: Die helle und die dunkle Farbvariante des Birkenspanners bei der Paarung. Der Melanismus dieser Tiere hängt mit nicht-codierenden RNAs zusammen. (Siga, CC BY-SA 4.0)
Der Birkenspanner galt lange Zeit als Paradebeispiel für das Zusammenspiel von Mutation (zufälligen Veränderungen des Erbguts) und Selektion (Auslese). Die „Lehrbuchgeschichte“ lautet in Kurzform wie folgt: Als im Zuge der Industrialisierung in England die hellen Borken von Birken zunehmend verschmutzt wurden bzw. helle Flechten auf den Borken abstarben, waren die hell gesprenkelten Birkenspanner auf ihren Ruheplätzen nicht mehr so gut getarnt und wurden leichter Opfer von Fressfeinden (Selektion). An ihrer Stelle konnte sich eine mutmaßlich durch eine Mutation entstandene dunkle Variante, die mehr Melanin als dunklen Farbstoff in die Flügelschuppen einlagert, aufgrund ihrer nunmehr besseren Tarnung ausbreiten. Das Beispiel wurde als Industriemelanismus bekannt.
Eine Untersuchung von Van‘t Hof et al. (2016) hat dann aber gezeigt, dass die dunklen B. betularia-Formen im Zusammenhang mit einem springenden Gen (Transposon) stehen, also einem beweglichen DNA-Abschnitt, der seine Position im Genom selbstständig verändern kann. Dieses Transposon baut sich in einem Bereich des Chromosoms 17 in das Gen cortex ein, was die Melaninsynthese auf bisher unbekannte Weise beeinflusst.
Kürzlich stellten jedoch ffrench-Constant2 & Hayward (2024) Befunde zusammen, wonach der Melanismus bei verschiedenen Tieren maßgeblich durch nicht-codierende RNAs, nämlich microRNA und sog. lncRNA (long non-coding RNA) gesteuert wird, unabhängig vom cortex-Gen. Dies gilt auch für Schmetterlinge. Die Autoren verweisen auf drei neue Studien, die Zweifel an der direkten Rolle von cortex bei der Steuerung des Melanin-Schalters aufkommen lassen und stattdessen auf die lnc-RNA ivory und die microRNA mir-193 hinweisen, die an der gleichen Stelle im Genom codiert werden. mir-193 verursacht beim Schmetterling Bicyclusanynana (Familie Nymphalidae, Abb. 3) größere Veränderungen in der Transkription (Übersetzung von DNA in mRNA) während der späten Verpuppung, dem Zeitpunkt, an dem die unterschiedliche Schuppenentwicklung und die damit verbundene Pigmentierung erfolgt. Ähnliche Ergebnisse wurden beim Weißling Pieris canidia (Abb. 3) erzielt; dieser Falter gehört zu einer anderen Familie, den Pieridae. Dies deutet darauf hin, dass mir-193 auch bei weitläufig verwandten Schmetterlingen Auswirkungen hat. Auch beim Birkenspanner ist mir-193 präsent, eng verbunden mit dem cortex-Genort. Daraus kann man schließen, dass mir-193 auch bei dieser Art eine Rolle bei der dunklen Färbung spielt. Die Funktion von mir-193 über Schmetterlingsfamilien hinweg, die sich gemäß evolutionstheoretischer Deutung seit 90 Millionen Jahren auseinanderentwickelt haben sollen, ist demnach konserviert – bzw. in nicht-evolutionärer Sprache praktisch identisch, möglicherweise über die Ordnung der Schmetterlinge hinaus (ffrench-Constant et al. 2024, R903).
Figure 3. Abb. 3: Bei folgenden Schmetterlingen spielt die microRNA mir-193 eine Rolle während der späten Verpuppung, wennSchuppenentwicklung und Pigmentierung erfolgen: Beim Edelfalter Bicyclusanynana und beim Weißling Pieris canidia. (Charles J. Sharp, sharpphotography.co.uk, CC BY-SA 4.0; Pushpa CR, CC BY-SA 4.0)
MiRNAs wurden als vorgelagerte Schalter bei der Melaninproduktion in Fischen, Schalentieren, Reptilien und Säugetieren identifiziert.
Die Autoren schreiben weiter: „Die Bedeutung von miRNAs während der Schmetterlingsentwicklung wird durch jüngste Belege dafür untermauert, dass zwei miRNAs den Ecdyson-Stoffwechselweg im grün geäderten weißen Schmetterling Pieris napi [d. i. unser heimischer Rapsweißling] regulieren und wahrscheinlich eine Rolle bei der Diapause [Entwicklungsruhe bei vermindertem Stoffwechsel] spielen. Generell könnten nicht-codierende RNAs, einschließlich microRNAs, eine derzeit unterschätzte Rolle als Schlüsselschalter in genregulatorischen Netzwerken spielen, die möglicherweise die phänotypische Evolution erleichtern, nicht zuletzt bei Pigmentierung und Melanisierung. So wurden in mehreren Studien miRNAs – vereinfacht gesagt – als vorgelagerte Schalter3 bei der Melaninproduktion in Fischen, Schalentieren, Reptilien und Säugetieren identifiziert [...]. Fälle bei Muscheln wirken sich häufig auf die Schalenfarbe aus, die bei Weichtieren an verschiedenen adaptiven Funktionen beteiligt ist, darunter Thermoregulation und Tarnung.“
Kommentar
Die im vorangehenden Zitat gemachte Behauptung, microRNAs würden möglicherweise Evolution erleichtern, und – an anderer Stelle – sie würden sogar einen Beitrag zur Evolution komplexer Lebensformen leisten (Gallagher 2024)4, ist allerdings nicht begründet. Vielmehr sind microRNAs für die Differenzierung von verschiedenen Zelltypen auf Grundlage desselben Erbguts im Körper verantwortlich. Dabei handelt es sich um einen Steuerungsprozess, der nichts mit Zufall und Evolution zu tun hat, sondern auf Planung verweist. Erforderlich sind dafür interne Sensoren, durch die die Umweltverhältnisse wahrgenommen werden, auf die angepasst reagiert wird. Schalter in Organismen und damit verknüpfte microRNA erzeugen Variationen auf der Basis von Planung und Voraussicht – und nicht durch zufällige Mutationen und natürliche Selektion. Ohne solche Systeme könnten die Organismen nicht auf Umweltschwankungen reagieren und müssten darauf warten, dass unwahrscheinliche vorteilhafte Mutationen zufällig entstehen. Doch das dauert viel zu lange. Schon die Wartezeit für nur zwei koordinierte Mutationen erfordert nachweislich lange Zeiträume (Hössjer et al. 2021; Durrett & Schmidt 2008). Darüber hinaus entziehen sich microRNAs einer Evolution, da eine microRNA oft Hunderte von mRNAs reguliert, die in biologische Signalwege integriert sind. Mutationen hätten weitreichende Folgen und könnten sich kaum durchsetzen (Terborg & Truman 2007).
MiRNAs ermöglichen einen Steuerungsprozess, der nichts mit Zufall und Evolution zu tun hat, sondern auf Planung verweist.
MicroRNA ist eine von mehreren Bausteinen der genetischen Reaktionsmöglichkeiten, die Organismen kurzfristige Anpassungen aufgrund von Signalen aus der Umwelt ermöglichen, ohne auf das Auftreten glücklicher Mutationen warten zu müssen. Ihre Herkunft liegt aus evolutionstheoretischer Sicht im Dunkeln.
Anmerkungen
1 https://www.newscientist.com/article/2450800-nobel-prize-for-medicine-goes-to-the-pair-who-discovered-microrna/ (aufgerufen an 18. 11. 2024).
2 ffrench ist kein Tippfehler.
3 Es handelt sich nicht wirklich um Schalter, sondern um Gene, die die mRNAs der Pigmentgene durch miRNAs (ebenso Genprodukte) destabilisieren, sodass ihre Expression verringert wird. Die miRNA-Gene selbst werden durch genetische Elemente wie Promotoren und Enhancer (einschließlich transponierbarer und transponierter Elemente) reguliert und gesteuert.
4 „Without the ability to control gene expression, every cell in an organism would be identical, so microRNAs helped enable the evolution of complex life forms.“
Literatur
Barciszewska-Pacak M, Milanowska K et al. (2015) Arabidopsis microRNA expression regulation in a wide range of abiotic stress responses. Front. Plant Sci. 6, 410, doi: 10.3389/fpls.2015.00410.
Durrett R & Schmidt D (2008) Waiting for Two Mutations: With Applications to Regulatory Sequence Evolution and the Limits of Darwinian Evolution. Genetics 180, 1501–1509.
ffrench-Constant RH & Hayward A (2024) Melanism: Cryptic control by non-coding RNAs. Curr. Biol. 34, R901–R904.
Gallagher J (2024) Nobel Prize goes to microRNA researchers, vom 07.10.2024, https://www.bbc.com/news/articles/c79nrgp97x9o.
Hössjer O, Bechly G & Gauger A (2021) On the wait-ing time until coordinated mutations get fixed in regulatory sequences. J. theor. Biol. 524, 110657.
Lee RC, Feinbaum RL & Ambros V (1993) The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell 75, 843–854.
Terborg P & Truman R (2007) Ultraconserved sequences pose megaproblems for evolutionary theory. J. Creat. 21, 8–9.
Van’t Hof AE, Campagne P et al. (2016) The industrial melanism mutation in British peppered moths is a transposable element. Nature 534, 102–105.