Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Populationen überleben trotz nachteiliger Mutationen

10.08.2012
Max-Planck-Forscher untersucht das Evolutionsmodell der Muller-Ratsche

Die Evolution hat vom Einzeller bis zum Säugetier immer komplexere Strukturen und stetig verbesserte Anpassungen hervorgebracht. Das ist umso erstaunlicher, als die meisten Genveränderungen ihrem Träger schaden. Vor allem in kleinen Populationen, die sich ungeschlechtlich fortpflanzen und deren Gene daher nicht neu kombiniert werden, können sich unvorteilhafte Mutationen anhäufen.

In der Evolutionsbiologie wird ein solcher Prozess als Muller-Ratsche oder Muller-Sperrklinke bezeichnet. Nach diesem Modell, das auf den amerikanischen Genetiker Hermann Joseph Muller zurückgeht, verschlechtert sich das Erbgut unumkehrbar, und die Populationen haben schlechte Überlebenschancen – also auch Individuen ohne die negativen Mutationen sterben aus. Richard Neher vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat zusammen mit US-amerikanischen Kollegen mathematisch dargestellt, wie eine Muller-Ratsche arbeitet und theoretisch erforscht, warum Populationen trotz kontinuierlicher negativer Genveränderungen nicht zwangsläufig aussterben.

Die allermeisten Mutationen oder Genveränderungen wirken sich nachteilig aus. „Über Selektionsprozesse pflanzen sich jedoch die Individuen mit den günstigeren Genen erfolgreicher fort, und negative Mutationen gehen wieder verloren“, erklärt der Populationsgenetiker Richard Neher, der eine eigenständige Max-Planck-Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen leitet. Anders sieht es aus, wenn zum Beispiel eine Virenpopulation, die sich ungeschlechtlich fortpflanzt, zunächst in kleiner Zahl einen Menschen infiziert. „Dann kann es allein durch Zufall, durch stochastische Prozesse, passieren, dass sich negative Mutationen bei den Viren anhäufen und auch die Gruppe der Individuen ohne solche Mutationen ausstirbt“, sagt Richard Neher. Dann rastet die Muller-Ratsche ein, die Entwicklung ist nicht mehr umkehrbar – zumindest in Mullers Modell.

Muller hat sein Modell von der evolutionsbiologischen Ratsche 1964 veröffentlicht. Bisher war unklar, über welche quantitativen Prozesse die Ratsche funktioniert. Dazu hat jetzt Richard Neher zusammen mit Boris Shraiman von der University of California in Santa Barbara eine neue theoretische Studie veröffentlicht. Sie arbeiteten mit einem vergleichsweise einfachen Modell, bei dem alle Mutationen negativ sind und Auswirkungen gleichen Ausmaßes zeitigen. Außerdem nahmen die Forscher an, dass die Selektion den Mutationen entgegenwirkt. Sie analysierten, wie zufällige Fluktuationen unter den fittesten Individuen sich auf die weniger fitten sowie die ganze Population auswirken. Dabei haben Richard Neher und Boris Shraiman festgestellt, dass der Schlüssel zur Funktion der Ratsche in einer langsamen Reaktion liegt: Verringert sich die Zahl der fittesten Individuen, verringert sich die durchschnittliche Fitness der Population erst mit Verzögerung. „Diese verzögerte Rückkoppelung beschleunigt die Muller-Ratsche“, fasst Richard Neher die Ergebnisse zusammen. Sie rastet immer häufiger ein.

„Unsere Ergebnisse gelten für eine breite Palette an Voraussetzungen und Werten, für eine Virenpopulation genauso wie für eine Tigerpopulation.“ Er erwartet jedoch nicht, die Verhältnisse des Modells eins zu eins in der Natur wiederzufinden. „Modelle dienen dazu, die wesentlichen Aspekte zu verstehen, damit man weiß, welche Prozesse entscheidend sind“, erklärt er.

In einer zweiten Studie hat Richard Neher zusammen mit Boris Shraiman und weiteren US-amerikanischen Forschern der University of California in Santa Barbara sowie der Harvard University in Cambridge untersucht, wie selbst eine kleine Population, die sich ungeschlechtlich fortpflanzt, der Muller-Ratsche entgehen könnte. „Eine solche Population kann längerfristig nur stabil bleiben, wenn positiv wirkende Mutationen die negativen kontinuierlich ausgleichen“, sagt Richard Neher. Bei ihrem Modell sind die Forscher von einer gleich bleibenden Umwelt ausgegangen sowie von der Annahme, dass sich bei jeder Population ein Gleichgewicht zwischen Mutation und Selektion einstellen kann. Sie haben für verschiedene Populationsgrößen und Mutationsraten berechnet, wie groß der Anteil positiver Mutationen sein muss, um das Gleichgewicht aufrecht zu halten. Das überraschende Ergebnis: Selbst unter widrigen Bedingungen reicht schon ein sehr kleiner Anteil im Bereich weniger Prozente positiver Mutationen aus, um eine Population zu erhalten.

Über diese Ergebnisse ließe sich erklären, warum zum Beispiel die Mitochondrien, die sogenannten Kraftwerke der Zelle, die ein eigenes Erbgut besitzen und sich ungeschlechtlich teilen, über einen sehr langen Zeitraum in der Evolution erhalten geblieben sind. Insgesamt wird die Evolution zu einem erheblichen Teil über zufallsabhängige Entwicklungen gesteuert oder wie Richard Neher es ausdrückt: „Die evolutionäre Dynamik ist sehr stochastisch.“

Originalpublikationen:
Richard A. Neher, Boris I. Shraiman: Fluctuations of fitness distributions and the rate of Muller’s ratchet. Genetics, Band 191, SS. 1283-1293, August 2012. doi:10.1534/genetics.112.141325
Sidhartha Goyal, Daniel J. Balick, Elizabeth R. Jerison, Richard A. Neher, Boris I. Shraiman und Michael M. Desai: Dynamic Mutation-Selection Balance as an Evolutionary Attractor. Genetics, Band 191, August 2012. doi: 10.1534/genetics.112.141291

Ansprechpartner:
Dr. Richard Neher
Tel.: 07071 601- 1345
E-Mail: richard.neher(at)tuebingen.mpg.de

Janna Eberhardt | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.tuebingen.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Designerviren stacheln Immunabwehr gegen Krebszellen an
26.05.2017 | Universität Basel

nachricht Wachstumsmechanismus der Pilze entschlüsselt
26.05.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften