Ein über 100 Jahre altes Rätsel ist gelöst: Warum kann sich das Leben weiterentwickeln?

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Vor über 100 Jahren entdeckten Genetiker das Phänomen der Chromosomenrekombination in Keimzellen. Es ist wie ein langsamer, aber stetiger Evolutionsprozess, bei dem jede Generation von Organismen das Genom vielfältiger macht. Aber auch eine einzige Anomalie in einer Basis kann eine Krankheit verursachen. Erst vor kurzem haben Wissenschaftler herausgefunden, wie Organismen diesen Prozess genau steuern.

Geschrieben von Shi Yunlei

Korrekturgelesen von Wu Fei

Vorteile der sexuellen Fortpflanzung

Hermann Joseph Müller, einer der einflussreichsten Genetiker des 20. Jahrhunderts und Nobelpreisträger, schlug einst eine Theorie mit dem Namen „Müllersche Ratsche“ vor. Als Wissenschaftler, der Röntgenstrahlen zur Untersuchung von Genmutationen einsetzt, sagte er, dass die sexuelle Fortpflanzung gegenüber der ungeschlechtlichen Fortpflanzung einen großen Vorteil habe: Sich sexuell fortpflanzende Organismen durchlaufen bei der Produktion von Gameten einen Prozess der Meiose, der den Organismen bei der Reparatur schwerer DNA-Schäden helfen kann.

Hermann Joseph Mahler (Fotoquelle: Offizielle Website des Nobelpreises)

Bei diesem Vorgang werden die Chromosomen einmal repliziert und anschließend teilt sich die Zelle zweimal, was bedeutet, dass aus einer Mutterzelle letztendlich vier Tochterzellen hervorgehen. Während der ersten Teilung paaren sich die Chromosomen der beiden Eltern in der Mutterzelle und werden zu homologen Chromosomen. Wenn beide Stränge eines Chromosoms beschädigt sind, kann der Schaden durch Chromosomenaustausch und Rekombination repariert werden. Da bei ungeschlechtlichen Organismen keine Rekombination stattfinden kann, häufen sich durch DNA-Schäden und andere Faktoren verursachte genetische Mutationen weiter an und führen schließlich zum Tod des Organismus. (Natürlich haben spätere Studien bestätigt, dass einige Organismen, die sich ungeschlechtlich vermehren, wie etwa Bakterien, DNA-Schäden auch auf andere Weise wirksam reparieren können, sodass Mahlers Ansicht möglicherweise nicht zutrifft.)

Während der Meiose kommt es zur Rekombination zwischen homologen Chromosomen. (Bildquelle: Wikipedia)

Mahler schlug diese Idee vor, die mit den genetischen Forschungen seines Lehrers Thomas Hunt Morgan, dem Begründer der genetischen Theorie, an Fruchtfliegen zusammenhing. Im Jahr 1916 fiel ihm außerdem auf, dass bei Fruchtfliegen Chromosomen mit ähnlicher genetischer Zusammensetzung, die sich miteinander paaren konnten, nicht nur Fragmente austauschten, um beschädigte Gene zu reparieren, sondern auch, um eine genetische Rekombination durchzuführen, so dass die genetische Zusammensetzung jedes Nachkommens unterschiedlich war. Allerdings ist der genaue Mechanismus der genetischen Rekombination in der Wissenschaft noch nicht vollständig verstanden.

Jede Generation entwickelt sich weiter

Sowohl Genmutationen als auch Genrekombinationen können die Evolution von Arten fördern. Bakterien und Viren verfügen über eine starke Reproduktionsfähigkeit und können sich unter äußerem Druck durch schnelle genetische Mutationen weiterentwickeln. Nach der Auslese durch äußeren Druck sind in einer Population möglicherweise nur noch wenige mutierte Stämme übrig, doch aufgrund ihrer effizienten Reproduktionsfähigkeit bilden diese mutierten Stämme schnell eine neue Population.

Auch bei mehrzelligen Organismen kommt es zu Genmutationen, für sie ist die Evolution durch Mutation jedoch kein besonders rationaler und effizienter Weg. Beispielsweise nutzt der menschliche Körper verschiedene Methoden, um Genmutationen und -schäden zu reparieren. Bestehende Studien haben ergeben, dass viele Genmutationen mit verschiedenen Entwicklungsstörungen, Krebs und anderen Krankheiten in Zusammenhang stehen. Für Organismen, die sich sexuell fortpflanzen, ist die Erweiterung der genetischen Vielfalt der Nachkommen durch genetische Rekombination ein stabiler und effektiver Weg, wenn auch ein langsamer. In diesem Zusammenhang stellt sich häufig die Frage, warum zwei homologe Chromosomen Fragmente gleicher Größe exakt austauschen können.

Es ist denkbar, dass es zu einer Katastrophe kommt, wenn die ausgetauschten Genfragmente nicht identisch sind. Ein häufiges Beispiel ist die Chromosomentranslokation (die Neuanordnung nicht-homologe Chromosomenfragmente, die die Länge der Chromosomen nach dem Austausch verändert). Dieser Prozess kann zu einem Chromosomenverlust beim Fötus und sogar zu verschiedenen Anomalien wie einer Fehlgeburt führen. Da die am Prozess der sexuellen Fortpflanzung beteiligten Gene in Organismen konserviert sind, haben einige Wissenschaftler versucht, diese Frage durch die Untersuchung einfacherer Organismen zu beantworten, um ihr Verständnis der Evolution und Entwicklung einer Vielzahl von Organismen zu verbessern. Und die Antwort kommt diesmal von einer Pflanze, die sich sexuell vermehrt.

Eine besondere Pflanze

Arabidopsis thaliana ist eine sehr kleine Pflanze mit einem kleinen Genom und nur 5 Chromosomenpaaren. Es handelt sich um eine typische selbstfruchtbare (sich sexuell fortpflanzende) Pflanze. Wie ihre Vorgängerin, die Erbsenpflanze, die Mendel zur Entdeckung der Gesetze der Genetik nutzte, sollte diese Pflanze das Verständnis der Menschen für die Biologie und Genetik der Pflanzen verändern.

Der Wachstumsprozess von Arabidopsis thaliana (Bildquelle: https://elifesciences.org/articles/06100)

Im Jahr 2012 entdeckten Wissenschaftler des Jean-Pierre-Bourgin-Instituts in Frankreich auf der Grundlage früherer Forschungen ein neues Protein, HEI10 (eine Ubiquitinligase). Es gehört zu einer Proteinklasse namens ZMM. Letzteres ist hauptsächlich für die Regulierung des Austauschs von Genabschnitten auf homologen Chromosomen während der Meiose verantwortlich. Frühere Studien haben ergeben, dass viele dieser Proteine ​​unterschiedliche Funktionen haben: Einige sind dafür verantwortlich, die beiden Chromosomen zusammenzubringen und eine stabile Struktur aufrechtzuerhalten, während andere die Rekombination der DNA fördern.

Eine Hypothese ist, dass die Funktion des HEI10-Proteins unterschiedlich sein könnte. Seine Anzahl auf den Chromosomen kann die Anzahl der Rekombinationen der Chromosomen beeinflussen oder den Ort steuern, an dem die Chromosomenrekombination stattfindet. In einem kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Artikel untersuchten Forscher der Universität Cambridge mithilfe von hochauflösender Mikroskopie und mathematischen Modellen das Verhalten des HEI10-Proteins auf den Chromosomen von Arabidopsis während der Meiose, um diese Hypothese zu überprüfen.

Während der Chromosomenrekombination verändert sich die Bewegung des HEI10-Proteins von anfänglich Hunderten kleiner Aggregate zu einer Anreicherung an nur wenigen Stellen. (Bild aus der Zeitung)

Sie fanden heraus, dass das HEI10-Protein das Chromosom zunächst wie eine Spur behandelte, sich zufällig darauf bewegte und viele kleine Proteinaggregate bildete. Mit der Zeit bewegt sich das HEI10-Protein zu der Stelle, an der homologe Chromosomen den synaptonemalen Komplex bilden. Erst wenn diese Struktur gebildet ist, können Chromosomen untereinander ausgetauscht werden. Wenn sich das HEI10-Protein an diese Position bewegt, wird es fixiert und dann wird immer mehr HEI10-Protein an derselben Stelle angereichert. Aus den anfänglichen Hunderten kleiner Aggregate des HEI10-Proteins wurden schließlich Aggregate mit einstelliger Größe. An den Stellen, an denen das HEI10-Protein am stärksten angereichert ist, kommt es zu Crossing-over- und Rekombinationsprozessen der Chromosomen.

Wenn die Expression des HEI10-Proteins in Pflanzen erhöht wird, nehmen die Stellen zu, an denen in Zellen eine chromosomale Rekombination stattfindet, und die Abstände zwischen den Rekombinationsstellen werden geringer. Als die Menge des HEI10-Proteins in den Zellen um 40 % reduziert wurde, fand eine genetische Rekombination nur in einer Region des synaptonemalen Komplexes der homologen Chromosomen statt. Die Forscher gehen davon aus, dass der synaptonemale Komplexbereich der Zelle ein möglicher Ort für einen Chromosomenaustausch ist und dass die Menge des an dieser Stelle angesammelten HEI10-Proteins bestimmt, ob eine genetische Rekombination stattfindet.

In vielen Organismen gefunden

Dieses Muster der genetischen Rekombination ist in vielen Organismen konserviert, darunter Hefen, Fadenwürmer, Fruchtfliegen und Säugetiere. Zuvor hatten Professor Neil Hunter vom Howard Hughes Medical Institute und andere in einer in Nature Genetics veröffentlichten Studie herausgefunden, dass bei einem Mangel an HEI10-Protein der frühe Prozess der Chromosomenrekombination bei Mäusen zwar reibungslos ablaufen kann, es letztlich jedoch nicht zu einer Chromosomenrekombination kommt. Mit anderen Worten: Das Protein HEI10 spielt im weiteren Verlauf dieses Prozesses eine entscheidende Rolle.

All dieses Leben geht aus einer befruchteten Eizelle hervor, und das Genom dieser Ausgangszelle bestimmt zugleich die Genomzusammensetzung der einzelnen Zellen, aus denen später der einzelne Organismus besteht. Ob es sich um die Reparatur, Expression oder Genrekombination genetischer Basenmutationen handelt, sie alle müssen präzise reguliert werden, damit Leben existieren und fortbestehen kann. Allerdings sind Gene auch sehr fragil. Viele Umweltfaktoren können nicht nur die Gene, den Krankheitszustand und die Lebenserwartung der Eltern beeinflussen, sondern durch die Weitergabe von Genen auch Auswirkungen auf die Nachkommen haben.

Mit anderen Worten: Manche schlechten Lebensbedingungen (Luftschadstoffe, UV-Strahlen, Schwermetalle und Stress usw.) und Lebensgewohnheiten (Alkoholismus, Rauchen und übermäßiger Verzehr von Junkfood) beeinträchtigen nicht nur unsere Gesundheit, sondern können auch unsere grundlegendsten Gene verändern. Durch künftige Entwicklungen in der Biotechnologie könnten einige dieser schädlichen Auswirkungen beseitigt werden. Doch heute verfügt jeder von uns über einen gesunden Körper, was vielleicht unseren Verwandten in unserem Stammbaum und den verschiedenen Zellen und Molekülen in unserem Körper zu verdanken ist, die immer hart arbeiten.

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