Dialekte der universellen Sprache des Lebens

Die Evolutionsbiologen Falk Hildebrand und Prof. Axel Meyer, PhD, der Universität Konstanz stellten einen Zusammenhang zwischen dem GC-Gehalt der DNA – dem Anteil der Basen Guanin und Cytosin – und der evolutionären Selektion fest.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit Prof. Dr. Adam Eyre-Walker von der Sussex-Universität (England) untersuchten sie die Muster gleichartiger GC-Mutationen in dem Genom von 149 Bakterienarten. Aus ihren Ergebnissen schließen sie, dass GC-Variationen nicht – wie bisher angenommen – aufgrund neutraler Hintergrundprozesse auftreten, sondern durch evolutionäre Selektion auf der Ebene des gesamten Genoms bedingt sind.

„So unterschiedlich alles Leben auf dieser Erde auch ist, es gibt dennoch eine fundamentale Gemeinsamkeit aller Organismen: die genetische Information, bestehend aus den vier verschiedenen DNA-Basen“, erklärt Falk Hildebrand: „Das genetische Alphabet besteht aus den Buchstaben G, A, T, C: die Basen Guanin, Adenin, Thymidin und Cytosin.“

Aus der Reihenfolge dieser Basen ergibt sich die universelle „Bauanleitung“ für Proteine des Organismus. Um die Zusammensetzung der Genoms eines Organismus’ zu messen, wird üblicherweise der so genannte GC-Gehalt berechnet – also der prozentuale Anteil von Guanin (G) und Cytosin (C) unter allen Basen der DNA.

Der GC-Gehalt ist innerhalb einer Art immer derselbe, unterscheidet sich aber stark zwischen verschiedenen Organismen: von 17 bis 75 Prozent. „Der GC-Gehalt vermittelt also eine Art Dialekt der universellen Sprache des Lebens“, erläutert Axel Meyer. „In unserer Studie erforschten wir, welche Kräfte diesen Dialekt beeinflussen.“ Dazu wurde der GC-Gehalt von nichtkodierender DNA in einer großen Anzahl verschiedener Bakteriengenome analysiert.

Aus einer rein statistischen Perspektive wäre zu erwarten gewesen, dass alle vier DNA-Basen zu gleichen Anteilen vorliegen müssten und der GC-Gehalt dementsprechend immer bei 50 Prozent liegen sollte. Eine solche Gleichverteilung wird jedoch in nahezu keinem Fall vorgefunden, stattdessen treten starke Variationen im GC-Gehalt auf.

Ein herkömmlicher Erklärungsansatz vermutet als Ursache der Variationen statische Prozesse, die den GC-Gehalt im Laufe der Jahrmillionen höher oder niedriger „treiben“. Die Untersuchungen der Evolutionsbiologen aus Konstanz und Sussex legen jedoch eine andere Erklärung als einen solchen „Mutationsdruck“ nahe: „Unterschiede im GC-Gehalt könnten auch durch bestimmte Selektionsvorteile erklärt werden – beispielsweise könnten Bakterien mit hohem GC-Gehalt möglicherweise besser in heißen Quellen überleben“, erörtert Axel Meyer. „Allein durch die bioinformative Möglichkeit, riesige Mengen an DNA-Sequenzen zu analysieren, konnten wir für über 170 Bakteriengenome berechnen, dass sie sich wirklich selektiv zu unterschiedlichen GC-Werten entwickelten.“, so Meyer weiter.

Die Forschungsergebnisse von Falk Hildebrand, Axel Meyer und Adam Eyre-Walker wurden im Wissenschaftsjournal PLoS Genetics veröffentlicht – gemeinsam mit den Ergebnissen von Professor Dr. Dimitri Petrov und Dr. Ruth Hershberg von der Stanford University, die unabhängig von den Konstanzer Forschern mit anderen Methoden zum selben Ergebnis kamen.

Originalveröffentlichung: Falk Hildebrand, Axel Meyer, Adam Eyre-Walker: „Evidence of Selection upon Genomic GC-Content in Bacteria.“ In: PLoS Genetics, September 2010, Volume 6, Issue 9, e1001107.

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