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Aus Junk-DNA werden neue Gene

21.09.2009
Max-Planck-Wissenschaftler haben erstmals ein "de novo-Gen" entdeckt, das in einem zuvor funktionslosen DNA-Absschnitt entstand

Lange Zeit herrschte die Meinung bei Evolutionsbiologen, dass Gene neu entstehen, indem DNA-Sequenzen, die bereits genetische Informationen tragen, neu kombiniert werden.

Die Wissenschaftler nahmen an, dass diese Neuentstehung durch Duplikation relativ rasch vonstatten geht. Jetzt hat jedoch eine Forschergruppe um Diethard Tautz vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön etwas völlig Neues entdeckt: ein neues Gen in Mäusen, das aus einem zuvor funktionslosen DNA-Abschnitt (Junk-DNA) in einem längeren Zufallsprozess entstanden ist.

Es gelang den Plöner Forschern durch Vergleiche mit anderen Spezies, die Geburtsstunde des Gens auf die Zeit vor 2,5 bis 3,5 Millionen Jahren zu datieren. Das evolutionsgeschichtlich sehr junge Gen wurde im Chromosom Nr. 10 der Maus entdeckt. Dass ein Gen an einer bislang funktionslosen Stelle der DNA entstehen kann, wurde zwar auf der Basis von Genomvergleichen bei verschiedenen Drosophila Arten postuliert. Den Plöner Wissenschaftlern ist nun aber erstmals der Nachweis über die Abfolge der notwendigen Mutationen eines dieser Gene gelungen. (Current Biology, 15. September 2009)

"Unser neu entdecktes Gen ist das einzige, das sich in der Mitte eines langen nicht-kodierenden Chromosomenabschnitts befindet", sagt Fabian Staubach aus dem Plöner Forschungsteam. "Das hat uns die Arbeit erleichtert. Der gleiche Abschnitt kommt auch in allen anderen uns bekannten Säugetier-Genomen vor. Aber nur bei Mäusen existiert dieses Gen. Durch eine Reihe von Sequenzanalysen konnten wir konkrete Mutationen identifizieren, die nur in der Maus vorkommen und die wir für die de novo-Entstehung des Genes verantwortlich machen. Es ist erstaunlich, dass ein so geringer genetischer Unterschied ein ganzes Gen definieren kann." Durch Vergleiche mit Mäusen nahe verwandter Arten kam außerdem zutage, dass das Gen nach seiner Entstehung bei Selektionsprozessen eine große Rolle gespielt hat. Varianten des Gens scheinen in manchen Mausunterarten ihren Trägern einen Vorteil zu verschaffen.

Um die genaue Funktion des Gens heraus zu finden, wurde bei Labormäusen das Gen inaktiviert (Knock-out). "Wir haben bei den Tieren, denen das Gen fehlte, eindeutig kleinere Hoden und langsamere Spermien festgestellt. Dieses Gen hat eine erkennbare Funktion bei der der Fortpflanzung und bewirkt offensichtlich einen Evolutionsvorsprung", erklären Tobias Heinen und Daniela Häming. Auch ältere Untersuchungen weisen daraufhin, dass durch Duplikationen neu entstandene Gene oft in den Hoden aktiv sind. Die Plöner vermuten, dass Elemente, die prinzipiell für die Funktion von Genen notwendig sind, überall im Genom vorkommen. Die Regeln für die Aktivierung von Genen sind bekanntermaßen in den Zellen der männlichen Keimbahn anders und anscheinend weniger komplex, als in anderen Geweben. Das könnte erklären, warum vereinzelt einige Mutationen ausreichen, um ein neues Gen entstehen zu lassen. Solche neue Gene werden dann über die Spermien an die nächste Generation weitervererbt und können - wenn sie sich bewähren - im Laufe der Evolution weiter angepasst werden und auch von anderen Geweben im Körper rekrutiert werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die de novo-Entstehung von Genen eine wichtigere Rolle in der Evolution annehmen könnte als bisher angenommen wurde. "Bisher wurde die Bedeutung von de novo-Evolution unterschätzt. Wir gehen davon aus, dass weitaus mehr solcher Gene identifiziert werden, wenn die Suche nach ihnen intensiviert wird. Wie hoch die Rate an de novo-Gen-Entstehung tatsächlich ist, können wir noch nicht abschätzen. Dieses herauszufinden wird eine Aufgabe für die Zukunft", sagt Diethard Tautz, Direktor am Plöner Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie.

Etwa 25.000 Gene finden sich im Erbgut von Säugetieren. Sie sind im Laufe von mindestens einer Milliarde Jahren entstanden. Das Genom gibt Zeugnis von den vielfältigen Anpassungen an sich stets verändernde Lebensbedingungen und spiegelt so die Naturgeschichte unseres Planeten wider. Manche Gene bestehen bereits seit Hunderten Millionen von Jahren, ohne dass sie sich verändert haben, andere sind - gemessen an der Evolutionsgeschichte - relativ jung.

Originalveröffentlichung:

Tobias Heinen, Fabian Staubach, Daniela Häming, Diethard Tautz
Emergence of a New Gene from an Intergenic Region
Current Biology (2009), doi:10.1016/j.cub.2009.07.049
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Fabian Staubach
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Tel.: +49 4522 763-284
E-Mail: staubach@evolbio.mpg.de
Prof. Dr. Diethard Tautz
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Tel.: +49 4522 763 - 390
E-Mail: tautz@evolbio.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.evolbio.mpg.de

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