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 Bakterien aus dem Blut «ziehen»
07.12.2016 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht HIV: Spur führt ins Recycling-System der Zelle
07.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

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: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie