Das unterschätzte Mutationspotential der Retrogene

Eine neue Studie, entstanden aus einer Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön mit der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking, zeigt, dass die potentielle genetische Belastung durch Mutationen, die aus Retrogenen entstehen, deutlich größer ist als bisher angenommen.

Die genetische Information ist in der DNA gespeichert. Von dort wird sie als mRNA abgeschrieben, die dann weiter zu Proteinen translatiert wird. Man weiß aber schon seit langem, dass mRNA auch wieder in DNA umgeschrieben und zurück ins Genom integrieren kann. Man spricht in solchen Fällen von Retrogenen.

Ein Team des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön und des Zoologischen Instituts der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking berichtet jetzt in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS), dass dieser Prozess bisher um mindestens einen Faktor tausend unterschätzt wurde und zudem einen wesentlichen neuen Mutationsmechanismus darstellt.

Retrogene werden durch optimierten Algorithmus aufgespürt

Das hat vor allem zwei Gründe. Zum einen berücksichtigen die gängigen Suchalgorithmen, die in der Genomsequenzanalyse verwendet werden, in der Regel keine neuen Insertionen von Retrogenen, sie bleiben daher in der Masse der Daten verborgen. Nur mit einem von den Autoren optimierten Algorithmus kann man sie systematisch entdecken. Zum anderen konnten die Autoren zeigen, dass die meisten der Retrogeninsertionen sehr kurzlebig sind. Bei den bisherigen Genomvergleichen zwischen Spezies erschienen sie daher vergleichsweise selten zu sein.

Mutation durch Retrogene meist schädlich

Für die jetzt vorgelegte Studie war es daher entscheidend, Populationen zu untersuchen, die sich erst vor kurzem entwickelt haben. Die Autoren fanden heraus, dass Mauspopulationen, die erst seit ca. 3000 Jahren getrennt sind, unterschiedliche Retrogene tragen, d.h. Retrogene entstehen in jeder Population mit einer sehr hohen Rate neu, gehen aber auch vergleichsweise schnell wieder verloren. Der Grund ist, dass Retrogene selbst dann schädlich sein können, wenn sie in nicht-kodierende DNA integrieren. Wenn sie dort nämlich wieder in mRNA umgeschrieben werden, und dies ist für die meisten der Fall, kann diese neue mRNA die mRNA des Gens, von dem sie ursprünglich abstammen, negativ beeinflussen. Damit wirkt das Retrogen als regulatorische Mutation, die in aller Regel schädlich ist. Die Autoren zeigen, dass die genetische Belastung durch diesen Mechanismus höher ist, als durch die bisher vor allem untersuchten Punkt-Mutationen. Sie schlagen daher vor, dass man bei der Suche nach krankheitsauslösenden Mutationen in Zukunft auch den Retrogenmechanismus berücksichtigen muss.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Diethard Tautz, tautz@evolbio.mpg.de

Originalpublikation:

Wenyu Zhang, Chen Xie, Kristian Ullrich, Yong E. Zhang & Diethard Tautz (2021).
The mutational load in natural populations is significantly affected by high primary rates of retroposition.
PNAS February 9, 2021 118 (6) e2013043118; https://doi.org/10.1073/pnas.2013043118

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