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Neue Einblicke in den Stammbaum des Lebens

20.10.2016

CAU-Mikrobiologie liefert grundlegende Erkenntnisse zur Rolle der Urbakterien in der Evolution

Um die Vielfalt des Lebens zu beschreiben, unterscheidet die Wissenschaft zum Beispiel nach dem Tier- oder Pflanzenreich. Außerdem wird sie auch in drei grundlegende Kategorien oder auch Domänen unterteilt: Die erste umfasst Lebewesen, die einen Zellkern besitzen, die Domäne der sogenannten Eukarya.


Die methanproduzierende Archaeen-Art Methanosarcina mazei ist ein in der Mikrobiologie häufig verwendeter Modellorganismus.

Abbildung: Andrea Ulbricht

Die beiden weiteren Domänen beinhalten zum einen die Urbakterien, auch Archaea genannt, zum anderen die Bakterien. Lebewesen dieser beiden Domänen besitzen keinen Zellkern. Die Domäne der Archaeen nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da sie Merkmale sowohl der Eukarya als auch der Bakterien trägt.

Aus welcher der beiden ursprünglicheren Domänen sich die eukaryotische Zelle und damit höhere Lebewesen einschließlich der Wirbeltiere im Laufe der Evolution entwickelt haben, wird bis heute kontrovers diskutiert. Kürzlich gefundene deutliche Hinweise legen nahe, dass sich die Eukarya aus der Domäne der Archaeen entwickelt haben könnten.

Forschende vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten zeigen, dass Archaeen ihre Erbinformationen auf sehr ähnliche Weise ablesen, um sie in Proteine umzusetzen, wie es auch Eukarya tun. Dies unterstützt die Theorie über den Ursprung der Eukarya in der Domäne der Archaeen. Die neuartigen Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team um Professorin Ruth Schmitz-Streit von der CAU gemeinsam mit Professor Rotem Sorek vom Weizmann Institute of Science aus Rehovot, Israel, jüngst in der Fachzeitschrift Nature microbiology.

Der Schlüssel zu diesen neuen Erkenntnissen liegt in der Untersuchung der Transkription, also dem Ablesevorgang der genetischen Information. Im Laufe dieses Prozesses wird die sogenannte Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) gebildet, deren Aufgabe die Umsetzung von genetischer Information in Proteine ist. Im Hinblick auf diese Vorgänge untersuchten die Forschenden die beiden Archaeen-Arten Methanosarcina mazei und Sulfolobus acidocaldarius mittels genomweiter Analysen.

Insbesondere das Ende des Transkriptionsvorgangs ist aufschlussreich: Bakterien weisen hier nach dem für die Codierung der Proteine zuständigen Teil nur eine sehr kurze Endsequenz auf. Die nun vorliegende Studie zeigt, dass Archaeen demgegenüber eine ähnlich lange Endsequenz der mRNA aufweisen, wie es auch bei Eukarya der Fall ist. Die vermeintlich unbeteiligten Enden der mRNA tragen also möglicherweise auch bei Archaeen zur Genregulation bei. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass über 30 Prozent der Archaeen-Gene durch eine Reihe aufeinanderfolgender alternativer Terminations-Signale in der Transkription kontrolliert werden können. In Abhängigkeit von den Umweltbedingungen entstehen also jeweils unterschiedlich lange Endsequenzen.

Die neuartigen Erkenntnisse legen einerseits die evolutionäre Nähe von Archaeen und Eukarya nahe. Andererseits weisen sie darauf hin, dass die langen und wandelbaren Endsequenzen der Archaeen auch funktionale Bedeutung haben müssen. Damit eröffnet sich ein gänzlich neues Betätigungsfeld in der Mikrobiologie, betont Schmitz-Streit: „Bislang war schlicht nicht bekannt, dass Archaeen solch lange Transkriptions-Endsequenzen besitzen. Zum einen werden so Einblicke in die evolutionäre Entwicklung des Lebens möglich. Vor allem betreten wir mit der Erforschung ihrer Funktionen wissenschaftliches Neuland und erhoffen uns überraschende neue Erkenntnisse über die Regulation bei Archaeen auf posttranskriptionaler Ebene.“

Originalarbeit:
Daniel Dar, Daniela Prasse, Ruth A. Schmitz & Rotem Sorek (2016): Widespread formation of alternative 3′ UTR isoforms via transcription termination in archaea. Nature Microbiology
http://dx.doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.143

Bildmaterial steht zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-339-1.jpg
Die methanproduzierende Archaeen-Art Methanosarcina mazei ist ein in der Mikrobiologie häufig verwendeter Modellorganismus.
Abbildung: Andrea Ulbricht

Kontakt:
Prof. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334
E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
http://www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

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