Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Evolution der Genregulation: Wie mikrobielle Nachbarn Gegensätze schlichten

26.05.2009
Auch bei Mikroben dreht sich alles um Angebot und Nachfrage - wenigstens auf genetischer Ebene. Denn nicht jedes ihrer Genprodukte, also die Bauanleitung für Proteine, wird immer benötigt.

Die meisten ihrer Anlagen werden daher, wie bei höheren Organismen auch, erst bei Bedarf aktiv. Im einfachsten Fall aktiviert dann ein Transkriptionsfaktor das betreffende Gen. Etwas komplexer regulierte Anlagen werden dagegen von einem Repressor inaktiv gehalten, der sich erst bei Bedarf ablöst.

Nach dem "use-it-or-lose-it"-Prinzip bilden sich diese zwei Regulationsmechanismen abhängig von der Nachfrage aus: Sind Anlagen häufig aktiv, werden sie in der Regel direkt induziert. Gene für selten gebrauchte Proteine werden dagegen eher durch Repressoren inaktiv gehalten. Der LMU-Physiker Ulrich Gerland und Professor Terence Hwa von der University of California haben nun aber mit Hilfe von Computersimulationen und theoretischen Analysen nachgewiesen, dass ein weiteres - und zwar entgegengesetzt wirkendes - Prinzip ebenfalls zum Tragen kommt: "wear-and-tear".

Danach kann auch eine direkte Aktivierung zu schädlichen Veränderungen führen. "Welches der beiden Prinzipien sich jeweils durchsetzt, hängt aber von evolutiv wirksamen Kriterien wie der Populationsgröße und von den Zeitspannen ab, in denen Umweltveränderungen auftreten", sagt Gerland. "Unsere Studie könnte sich als guter Ausgangspunkt für detaillierte Entwicklungsmodelle regulatorischer Systeme erweisen." (PNAS Early Edition, 22. Mai 2009)

Noch bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts beschäftigten sich Biochemiker vor allem mit dem Stoffwechsel, also der Energiegewinnung aus Nahrung. Wenig relevant - und technisch nicht zu klären - waren Fragen nach der Regulation dieser Prozesse als Reaktion auf innere und äußere Signale. Die Biologie der Regulation als eigenständiges Forschungsgebiet konnte sich erst entwickeln, als methodische Fortschritte auch die DNA als Träger der genetischen Anlagen und die Synthese der Proteine als wichtigste Funktionsträger der Zelle der wissenschaftlichen Analyse zugänglich machten. Schnell wurde klar, dass komplexe und vielfältige Regulationsmechanismen die genetische Aktivität von Zellen an innere und äußere Bedingungen anpassen - auch bei Mikroorganismen.

So ist etwa bekannt, dass das Darmbakterium Escherichia coli im Verdauungstrakt von jungen Säugern den in der Muttermilch reichlich enthaltenen Milchzucker Laktose zerlegen kann. Dazu produziert das Bakterium das Enzym Laktase - allerdings nur, wenn auch tatsächlich Laktose vorhanden ist. Die meiste Zeit aber fehlt der Milchzucker. Dann ist das Gen mit der Bauanleitung für das Laktase-Enzym von einem Repressor blockiert. Nur ein Schlüssel passt in das Schloss dieses Proteins, so dass es sich vom Laktase-Gen ablöst: ein Laktose-Molekül als einzig sicheres Anzeichen dafür, dass dieser Zucker jetzt als Nahrung zur Verfügung steht. Andere Gene aber kommen ohne Repressor als Regulator aus: Sie werden direkt durch einen Transkriptionsfaktor aktiviert, der an sie bindet.

Dies sind nur zwei einfache Beispiele für Mechanismen, die die Genaktivität regulieren. Funktional sind sie gleichwertig. "Schon früh stellte sich die Frage, ob die Entscheidung für einen der beiden Mechanismen von der Natur nur zufällig getroffen wird oder ob bestimmte Kriterien eine Rolle spielen", berichtet Gerland. "Studien haben gezeigt, dass die Nachfrage nach dem Genprodukt ein entscheidender Faktor ist: Direkt aktiviert werden meist Gene, deren Proteine die meiste Zeit benötigt werden. Proteine wie die Laktase aber, die nur manchmal zum Einsatz kommen, gehören häufig zu den genetischen Anlagen, die nur bei Bedarf von ihrem Repressor freigegeben werden." Eine Erklärung dafür soll das "use-it-or-lose-it"-Prinzip liefern, das den häufigen Einsatz der Regulationsfaktoren fordert, weil diese sonst schädlichen Veränderungen unterworfen wären.

Anhand von Computersimulationen und theoretischen Berechnungen konnten Gerland und Hwa nun aber zeigen, dass ein weiteres - und zwar entgegengesetzt wirkendes - Prinzip ebenfalls zum Zuge kommt. "Wear-and-tear" soll zum Ausdruck bringen, dass die maximal häufige Nutzung der Regulatoren ebenfalls zu ungünstigen Veränderungen dieser Proteine führen kann. Die beiden Forscher untersuchten deshalb, ob weitere Faktoren eine Rolle spielen, die sich auf die Evolution der Mikroorganismen auswirken können. "Unsere Ergebnisse zeigen klar, dass beide Prinzipien gültig sind, obwohl sie einander eigentlich widersprechen", meint Gerland. "In diesem Spannungsfeld zwischen maximalem und minimalem Einsatz der Regulatoren kommen tatsächlich andere Kriterien zum Tragen: die Populationsgröße und die Zeitspanne, über die sich Veränderungen in der Umwelt hinziehen."

So verläuft die genetische Regulation nach dem "use-it-or-lose-it"-Prinzip mit maximaler Nutzung der Regulationsproteine in kleinen Populationen, die sich in einer nur langsam verändernden Umwelt befinden. Im umgekehrten Fall aber kommt eher "wear-and-tear" mit minimalem Einsatz der Proteine zum Tragen. "Die Evolution regulatorischer Systeme ist noch kaum verstanden", berichtet Gerland. "Es fehlte bislang auch noch weitgehend an passenden theoretischen Modellen. Jetzt aber könnte sich die zeitabhängige Selektion wie in unserem Beispiel als wichtiger Faktor in der regulatorischen Entwicklung erweisen. Viele Fragen sind noch offen, und unsere Ergebnisse stoßen hoffentlich weitere Untersuchungen an." (suwe)

Publikation:
"Evolutionary selection between alternative modes of gene regulation",
Ulrich Gerland and Terence Hwa,
PNAS Early Edition, 22. Mai 2009
Ansprechpartner:
Professor Ulrich Gerland
Tel.: 089 / 2180 - 4514
Fax: 089 / 2180 - 13545
E-Mail: gerland@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.physik.uni-muenchen.de/~gerland

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab
17.01.2017 | Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere

nachricht Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau