Der Mensch besitzt 145 fremde Gene. Warum können Gene zwischen Arten übertragen werden?

Kann das Genom eines Tieres Gene anderer Arten enthalten? Mittlerweile hat sich gezeigt, dass dieses Phänomen in der Natur weit verbreitet ist und dass sogar der Mensch 145 fremde Gene in sich trägt. In den letzten Jahren haben Biologen auch das Vorhandensein von Schlangengenen in Fröschen entdeckt, und verschiedene Arten „teilen“ sich dasselbe Gen und profitieren von den damit verbundenen Funktionen. Dies könnte ein Geschenk unserer Vorfahren sein. Kürzlich entdeckte ein Team einen Gentransfer, der „einfach so“ passierte. Warum können zwei verschiedene Arten Gene gemeinsam haben und wie kam es zum „Übersprung“ dieses Gens? Neue Forschungsergebnisse könnten uns die Antwort geben.

Verfasst von Gu Shuchen (Institut für Biowissenschaften, Zhejiang-Universität)

Keine Art ist eine Insel. Als die Vorfahren des Menschen den alten Kontinent bereisten, kamen sie an vielen Arten vorbei, die ihre Spuren in den Genen des Menschen hinterließen und schließlich zu Geistern in den Genen des Menschen wurden, wodurch dieser Abschnitt der Geschichte auf stille Weise beschrieben wurde. Viele Jahre später entdeckten Wissenschaftler plötzlich, dass der Mensch bereits 145 fremde Gene in sich trug. Etwa 8 % dieser Gene stammen von Viren, etwa 2 % von Urmenschen (wie Neandertalern oder Denisova-Menschen) und einige stammen von Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen [1].

Was ist horizontaler Gentransfer (HGT)?

Im Vergleich zum Menschen scheint „Reziprozität“ in der mikrobiellen Welt häufiger vorzukommen. Bevor die Erde von höheren Organismen wie dem Menschen besiedelt wurde, waren Mikroorganismen die Herren der Erde. Die Lebensumgebung war damals meist rau und viele Mikroorganismen lebten in Kratern, heißen Quellen und anderen Orten, sodass das Überleben oberste Priorität hatte. Daher tauschen verschiedene Mikroorganismen mehr „nützliche“ Gene aus, um sich besser an unterschiedliche Umgebungen anzupassen und zu überleben. Obwohl diese Mikroorganismen nicht einmal entfernt verwandt sind, haben einige ihrer Gene tatsächlich die Artgrenze überschritten und sind erfolgreich von einem Mikroorganismus auf das Genom eines anderen übertragen worden. Dabei handelt es sich um das Phänomen des „horizontalen Gentransfers“ (HGT), ein Konzept, das dem „vertikalen Gentransfer“ (bei dem genetisches Material von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben wird) entgegengesetzt ist, dem in der Genetik viel Aufmerksamkeit gewidmet wurde [2]. Das heißt, selbst zwischen Arten mit reproduktiver Isolation besteht die Möglichkeit, dieses „kleine genetische Geschenk“ von ihren Nachbarn zu erhalten.

Mit der Vertiefung der genetischen Forschung haben Wissenschaftler viele Beispiele für horizontalen Gentransfer entdeckt, der sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen auftritt. So haben beispielsweise zwei verschiedene Fischarten, die in Polarregionen leben, der Hering und der Stint, denselben Code für ein Frostschutzprotein, das das Gefrieren ihres Blutes und Gewebes in polaren Gewässern verhindert . [3] Darüber hinaus stellten Biologen in den tropischen Regenwäldern Madagaskars zu ihrer Überraschung fest, dass es im Genom der dortigen Frösche ein Gen namens „BovB“ gab, das offenbar von Schlangen stammte (siehe „Madagaskars ‚GM-Fabrik‘: Warum haben Frösche Schlangengene?“) [4]. Da immer mehr Beispiele für horizontalen Gentransfer entdeckt werden, sind die Wissenschaftler zunehmend ratlos, welche Mechanismen diesem Phänomen zugrunde liegen: Wie „springen“ diese Gene zwischen verschiedenen Arten?

Große Entdeckung bei winzigen Fadenwürmern

Kürzlich haben Forscher aus Alejandro Burgas Labor am Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein HGT-Ereignis vor Ort beobachtet. Sie beobachteten ein Gen, das in Fadenwürmern gerade „gesprungen“ war, und fanden den Vektor „Maverick“, der dem Gen beim Springen half. Mavericks wurden bei zahlreichen Tieren, sowohl bei Wirbellosen als auch bei Wirbeltieren, nachgewiesen und weisen viele Merkmale auf, die nur in viralen Genen zu finden sind. Aufgrund dieser Eigenschaften vermuten Biologen, dass Mavericks und ähnliche genetische Elemente zum horizontalen Gentransfer in der Evolution des Lebens beigetragen haben könnten. Dieses Forschungsergebnis wurde am 30. Juni 2023 in der Fachzeitschrift Science unter dem Titel „Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities“ veröffentlicht [5].

Wissenschaftler entdeckten dieses Phänomen „rein zufällig“. Im Jahr 2021 entdeckte Israel Campo Bes, ein Doktorand des Teams, bei der Untersuchung des Fadenwurms C. briggsae zufällig, dass dieser Fadenwurm ein nahezu identisches Gen wie ein anderer Fadenwurm, C. plicata, besaß. Ihre Ähnlichkeit war erstaunlich, die Nukleotidähnlichkeit betrug fast 97 %. Es sah aus, als hätte ein Wurm seine Gene kopiert und sie irgendwie in das Genom eines anderen Wurms eingefügt. Der Befund ist überraschend, da es sich bei C. briggsae und C. plicata um zwei reproduktiv isolierte Arten handelt. Die enormen Unterschiede zwischen ihren Genomen entsprechen den Unterschieden zwischen den Genomen von Menschen und Fischen. Dennoch haben sie ein nahezu identisches Gen gemeinsam, was eindeutig auf ein kürzlich erfolgtes HGT-Ereignis hinweist.

Diese Entdeckung schockierte auch Alejandro Burga, einen Molekulargenetiker im Labor. Um den Ursprung dieses „gemeinsamen“ Gens herauszufinden, beschlossen Burga und sein Team, die DNA rund um diese „gemeinsamen“ Gene zu untersuchen. Schließlich fanden sie repetitive Sequenzen rund um das Gen, ein Merkmal von Transposons. Ein Transposon ist ein genetisches Element, das sich innerhalb eines Genoms bewegen kann, indem es sich selbst repliziert und Kopien von sich an verschiedenen Stellen innerhalb eines Gens einfügt. Darüber hinaus fanden sie auch einige Überreste viraler Gene: ein Gen, das das virale Kapsidprotein exprimieren kann, ein Gen, das die virale Replikation fördern kann, und ein „Kleber“-Gen, das zur Integration viraler DNA in das Wirtsgenom verwendet wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass die übertragenen Gene in eine Gruppe virusähnlicher Gene und ein Transposon eingebettet sind, die vermutlich Teil von Mavericks sind.

Darüber hinaus verfügt Mavericks in einer anderen Fadenwurmart über ein zusätzliches Gen, das ein Protein namens Fusogen exprimiert, das das Virus mit der Membranstruktur der Zelle verschmelzen und das virale Genom in die Zelle übertragen kann. Ohne Fusine hätte ein Virus (insbesondere ein behülltes Virus) keine Möglichkeit, seine Gene zu übertragen. Das Vorhandensein dieses Proteins deutet stark darauf hin, dass Mavericks in der Lage ist, virusähnliche Partikel zu produzieren und in verschiedene Zelltypen einzudringen.

Burgas Team durchsuchte daraufhin rasch die Gendatenbank der Fadenwürmer und stellte bald fest, dass es sich hierbei nicht um einen Einzelfall horizontalen Gentransfers handelte. Sie fanden viele weitere Beispiele für in Mavericks eingebettete Gene. In den Genomen von mehr als 100 Fadenwurmarten aus mehr als 10 Gattungen gibt es zwei Gene, die von Mavericks häufig als „Fracht“ aufgenommen und zwischen verschiedenen Arten weit verbreitet werden. Vollständige und unvollständige genetische Elemente sind in Nematodenpopulationen in verschiedenen Regionen der Welt eingedrungen, von Nordamerika über Indien bis hin zu kilometertiefen Goldminen in Südafrika.

Obwohl dieser indirekte Beweis stark darauf hindeutet, dass Mavericks den horizontalen Gentransfer zwischen Fadenwurmarten erleichtern, mussten Biologen sie bisher noch nicht in Aktion beobachten. Der nächste Forschungsschritt besteht daher darin, eine Möglichkeit zu finden, den Prozess der Produktion virusähnlicher Partikel durch Mavericks unter dem Mikroskop zu beobachten und jedes Bild des Gen-„Sprungs“ zu beobachten.

Das virusähnliche Transposon Maverick kann als horizontaler Gentransfervektor (HGT) dienen. Bildquelle: IMBA-IMP Graphics

Inspiration von „Jump“

Die Entdeckung dieses Gen-„Sprung“-Mechanismus hat unser Verständnis der biologischen Evolution verändert. Mavericks sind eine alte und fragmentierte Klasse springender Gene, die in den Genomen von Protisten, Pilzen und Tieren (einschließlich des Menschen) häufig vorkommen. Ursprünglich glaubte man, dass diese riesigen mobilen Elemente die Überreste ineffektiver, veralteter genetischer Mutationen seien. Spätere Studien haben jedoch gezeigt, dass Mavericks reaktiviert werden können und dass sie einen horizontalen Gentransfer zwischen bestimmten einheimischen Arten vermitteln können[6]. Bisher wurden jedoch keine vollständigen Mavericks bei mehrzelligen Tieren im Detail untersucht. Diesmal bieten uns Fadenwürmer eine seltene Gelegenheit, und Fadenwürmer sind nicht nur Modelltiere für biologische Experimente. Viele Fadenwürmer sind Parasiten, die Nutzpflanzen und Vieh befallen können. Wenn wir die Funktionsweise von Mavericks besser verstehen, können wir es vielleicht nutzen, um bestimmte krankheitsverursachende Gene in Parasiten einzuführen und so das Ziel der Parasitenbekämpfung zu erreichen.

Darüber hinaus zeigt diese Entdeckung auch, dass Mavericks bestimmte antivirale und antibakterielle Gene tragen kann, was auch darauf schließen lässt, dass es zur Entwicklung neuer Medikamente oder Impfstoffe verwendet werden könnte oder um es zu einem Gentransferinstrument für Anwendungen wie Gentherapie und Genomeditierung zu machen.

In der Natur gibt es viele Fälle von horizontalem Gentransfer durch Mavericks oder andere genetische Faktoren. Der horizontale Transfer dieser Gene beeinträchtigt die genetische Vielfalt und Anpassungsfähigkeit der Arten und führt zur Entstehung neuer Arten oder zum Aussterben von Arten. Um die Artenvielfalt zu schützen und die Gesetze der biologischen Evolution wirklich zu verstehen, müssen wir auch mehr über diese Vektoren wissen, die den Gentransfer zwischen Arten ermöglichen.

Verweise

[1]Crisp A, Boschetti C, Perry M, Tunnacliffe A, Micklem G. Die Expression mehrerer horizontal erworbener Gene ist ein Kennzeichen sowohl des Genoms von Wirbeltieren als auch des Genoms von Wirbellosen. Genombiol. 2015 Mär 13;16(1):50.

[2]Nakamura Y, Itoh T, Matsuda H, Gojobori T. Verzerrte biologische Funktionen horizontal übertragener Gene in prokaryotischen Genomen. Nat Genet. 2004 Jul;36(7):760-6.

[3]Graham LA, Davies PL. Horizontaler Gentransfer bei Wirbeltieren: Eine fischige Geschichte. Trends Genet. 2021 Jun;37(6):501-503.

[4]Kambayashi C, Kakehashi R, Sato Y, Mizuno H, Tanabe H, Rakotoarison A, Künzel S, Furuno N, Ohshima K, Kumazawa Y, Nagy ZT, Mori A, Allison A, Donnellan SC, Ota H, Hoso M, Yanagida T, Sato H, Vences M, Kurabayashi A. Geographieabhängiger horizontaler Gentransfer von Wirbeltieren Raubtiere zu ihrer Beute. Molekularbiologie Evol. 10. April 2022;39(4):msac052.

[5]Widen SA, Bes IC, Koreshova A, Pliota P, Krogull D, Burga A. Virusähnliche Transposons überwinden die Artenbarriere und treiben die Evolution genetischer Inkompatibilitäten voran. Wissenschaft. 2023 Jun 30;380(6652):eade0705.

[6]Barreat JGN, Katzourakis A. Phylogenomik der Maverick-Virus-ähnlichen mobilen genetischen Elemente von Wirbeltieren. Molekularbiologie Evol. 4. Mai 2021;38(5):1731-1743.

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