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Den molekularen Ursachen der Evolution auf der Spur

Seit Darwin seine revolutionäre Theorie über die Entstehung der Arten formulierte ist in der Evolutionsforschung viel passiert. Dennoch wissen wir auch viele Jahrzehnte nach Veröffentlichung seiner Schrift „The Origin of species“ noch vergleichsweise wenig über die genaue molekulare Ursache evolutionärer Anpassungsprozesse. Die Biologin Dr. Felicity Jones beschäftigt sich mit ihrer Arbeitsgruppe am Tübinger Friedrich-Miescher-Laboratorium der Max-Planck-Gesellschaft mit der Frage, wie es durch die Rekombination von Genen und Chromosomen zur evolutionären Anpassung an neue Lebensräume oder gar zur Entstehung neuer Arten kommt. Für ihre Forschungsarbeiten erhielt sie vor Kurzem einen der begehrtesten Preise in der europäischen Forschungslandschaft, den „ERC Consolidator Grant“.

Die Biologin Dr. Felicity Jones möchte klären, welche molekulargenetischen Mechanismen für die evolutionäre Anpassung an Lebensräume verantwortlich sind. Für ihre Forschungsarbeiten erhielt Jones den „Consolidator Grant“ des Europäischen Forschungsrates. © privat

Einmal im Jahr werden mit den „Consolidator Grants“ des Europäischen Forschungsrats Nachwuchsforscher beliebiger Nationalität, die bereits herausragende Forschungsarbeit geleistet haben, für eine Dauer von fünf Jahren unterstützt. Die hochdotierte Forschungsförderung mit einem Projektvolumen von bis zu zwei Millionen Euro erhalten die exzellenten jungen Wissenschaftler, um neue Arbeitsgruppen aufzubauen und innovative Technologien zu entwickeln. So auch die Australierin Dr. Felicity Jones, Forschungsgruppenleiterin am Tübinger Friedrich-Miescher-Laboratorium (FML) der Max-Planck-Gesellschaft, die in diesem Jahr mit einem „Consolidator Grant“ für ihr Projekt „EvolRecombAdapt: Recombination in Adaptive Evolution“ ausgezeichnet wurde: „Mit dem Preisgeld möchte ich die Rolle von Rekombinationsereignissen in Evolutionsprozessen erforschen und mehr über deren molekulare Ursache erfahren“, erklärt Jones.

Der Stichling als Modell für Wirbeltiere

Ihr bevorzugtes Forschungsobjekt zur Beobachtung von Evolutionsvorgängen ist der dreistachlige Stichling Gasterosteus aculeatus. „Dieser Wirbeltier-Modellorganismus verbindet in besonderer Weise genetische und molekularbiologische Studien mit evolutionären Anpassungsprozessen in natürlichen Ökosystemen“, so Jones. „Diese Fischart findet sich in zahlreichen Meer- und Süßwasserlebensräumen überall auf der Nordhalbkugel – auch in baden-württembergischen Seen und Flüssen. Solche natürlichen Populationen mit sich rasch verändernden Phänotypen machen sie für uns so interessant.“

Zudem ist das Genom mit 0,46 GB für das eines Wirbeltiers recht klein und damit überschaubar. Es sind bereits über 250 Genome des Modellorganismus komplett sequenziert. Und es gibt zahlreiche molekularbiologische Methoden, die sich zur Untersuchung von Stichlingsnukleinsäure bereits gut bewährt haben. Beispielsweise können die Biologen auf käufliche Genotypisierungsarrays aus Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) zurückgreifen. Außerdem existieren bereits cDNA-Bibliotheken, RNA-Sequenzdaten aus verschiedenen Geweben, BAC-Bibliotheken sowie verschiedene transgene Techniken. Dabei sind die Stichlinge leicht zu halten und auch unterschiedliche Ökotypen mit einer großen Zahl an Nachkommen leicht untereinander zu kreuzen.

Der dreistachlige Stichling Gasterosteus aculeatus dient den Tübinger Wissenschaftlern als Modell für Evolutionsvorgänge bei Wirbeltieren. Die Fischart ist leicht zu züchten und findet sich auch in baden-württembergischen Gewässern. © Ron Offermans / www.wikipedia.de

Die Tübinger Forscher wollen mit Hilfe der Stichlinge herausfinden, welche Schlüsselmechanismen auf Molekülebene verantwortlich sind, dass Lebewesen unter verschiedensten Umweltbedingungen überleben, sich an neue Ökosysteme anpassen oder gar neue Rassen und Arten entstehen. Dabei stehen zunächst die Fragen im Vordergrund, welche und wie viele Gene für solche Anpassungsvorgänge verantwortlich sind, wie die betreffenden Mutationen aussehen und welchen Effekt sie ausüben.

Rekombination als Werkzeug der Evolution

Bisherige Theorien gehen davon aus, dass die evolutionäre Anpassung alleine aus zufälligen Rekombinationsereignissen während der Meiose resultiert. Dabei werden im Zuge der Keimzellenbildung genetische Varianten, die die Eltern an ihre Nachkommen weitergeben, so kombiniert, dass potenzielle neue genetische Varianten entstehen können. Dieser Mischvorgang von Nukleinsäure gilt als eine der Hauptquellen für genetische Diversität und quasi als molekulare Triebkraft der Evolution. Dabei können sich die Neukombinationen für den Organismus als vorteilhaft erweisen, sie können ihm aber auch zum Verhängnis werden: „Das Ergebnis kann auch genauso gut eine unvorteilhafte Kombination von genetischen Varianten und damit Eigenschaften bedeuten – das ist dann für das Lebewesen natürlich nicht so gut“, so die Biologin, die schon in den USA, Neuseeland, Schottland geforscht und in Australien studiert hat.

Beispiel für eine transgene Stichlingslarve, bei der das sich entwickelnde Herz durch Expression des GFP-Proteins grünlich leuchtet. © Friedrich-Miescher-Laboratorium Tübingen

Wie man bereits weiß, ist die Rekombinationshäufigkeit von verschiedenen Faktoren abhängig, wie beispielsweise der Position im Genom, vom Individuum, Geschlecht, der Population oder auch der Art. Was dabei aber genau auf Nukleinsäure-Ebene passiert, ist jedoch bisher weitgehend unbekannt. Diese Wissenslücke wird Jones gemeinsam mit ihren Mitarbeitern nun in den nächsten Jahren zu schließen versuchen: „Für unser Forschungsvorhaben werden wir modernste molekularbiologische Methoden, Genomik der nächsten Generation und klassische Genetik kombinieren, um verstehen zu können, wie genau molekulare Mechanismen und natürliche Selektion die Rekombination während evolutionärer Anpassungsprozesse beeinflussen“, erklärt die Tübinger Wissenschaftlerin. „Diese Fragestellung ist von fundamentaler biologischer Bedeutung und spielt beispielsweise auch eine Rolle beim Verständnis, wie sich schwere Erkrankungen beim Menschen im Lauf der Zeit entwickeln können – als Anpassung an bestimmte Lebensbedingungen.“

Evolution findet in den nicht-kodierenden Sequenzen statt

Bereits 2012 hat Jones mit ihren Mitarbeitern in der renommierten Zeitschrift Nature eine der bisher am höchsten aufgelösten Genkarten in Bezug auf Evolutionsprozesse für Wirbeltiere veröffentlicht: Aus der Untersuchung kompletter Genome verschiedener Stichlings-Ökotypen ergab sich, dass es sich bei den meisten Loci, die für Anpassung verantwortlich sind, um intergenische – also nicht-kodierende Sequenzen – handelt und sich diese in Regionen mit eher niedriger Rekombinationsfrequenz befinden. „Dies deutet darauf hin, dass für Evolutionsvorgänge Mutationen in den regulatorischen Sequenzen und nicht den Genen wichtig sind“, so Jones, „und außerdem die Unterdrückung von Rekombinationen eine Rolle spielt“.

Wie sich diese Mutationen genau auf Phänotyp und Fitness auswirken und wie solche „Hot & cold spots“ für Rekombinationsereignisse übers Genom verteilt sind, das möchten die Tübinger Max-Planck-Forscher in den nächsten Jahren herausfinden. Dazu wollen die Biologen zunächst solche Mutationen, aus denen Anpassung resultiert, mit Hilfe von genetischen Methoden und transgenen Organismen analysieren und funktionell testen und diese dann kartieren. Außerdem sollen die Mechanismen genauer untersucht werden, die dafür verantwortlich sind, dass Rekombination unterdrückt wird. Zusätzlich ist geplant, hunderte von genomischen Sequenzen mit Hilfe von bioinformatischen Methoden zu analysieren und damit Selektionsvorgänge auf Genomebene aufzuspüren.

Glossar

  • cDNA ist die Abkürzung für Complementary/copy DNA. Diese DNA wird mit Hilfe eines viralen Enzyms (Reverse Transkriptase) nach Vorlage einer mRNA synthetisiert und ist zur ursprünglichen mRNA komplementär.
  • Eine cDNA-Bank ist eine Klonsammlung, die von der mRNA einer bestimmten Zelle oder eines Gewebes präpariert wurde. Sie repräsentiert die genetische Information, die in diesen Zellen exprimiert wird.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Eine DNA-Bibliothek ist die Gesamtzahl aller Bakterien, die ein rekombinantes Plasmid mit unterschiedlichen DNA-Fragmenten eines anderen Organismus enthalten. Eine DNA-Bibliothek kann entweder mit genomischer DNA oder mit cDNA hergestellt werden.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Keimzellen sind die Geschlechtszellen (Eizellen, Spermien) eines Organismus .
  • Die Meiose ist die Reife- und Reduktionsteilung bei der Bildung von Keimzellen (Ei- und Samenzellen). Die Meiose besteht aus zwei Schritten: Zuerst wird die diploide Chromosomenzahl halbiert (in menschlichen Zellen von 46 auf 23). Die nachfolgende Teilung findet ähnlich wie die normale Zellteilung, die Mitose, statt. Letztlich entstehen durch die Meiose vier haploide Keimzellen.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Sie setzen sich aus einer Base, einem Zuckerrest und drei Phosphatgruppen zusammen. Bei der DNA- bzw. RNA-Synthese werden Nukleotide miteinander über eine Phosphordiesterbindung verknüpft. Dabei werden zwei Phosphatgruppen abgespalten.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Transgene Organismen sind Organismen (Mikroorganismen, Tiere, Pflanzen), denen mit Hilfe gentechnischer Methoden ein fremdes Gen eingeführt worden ist, das von Generation zu Generation weitervererbt wird. Transgene Organismen sind somit gentechnisch veränderte Organismen. (GVO)
  • Single Nucleotide Polyphormism (SNP), zu deutsch: Einzel-Nucleotid-Polymorphismus, ist die Bezeichnung für Variationen von einzelnen Basen innerhalb eines Genoms. Da sie häufig und sehr variabel auftreten und einfach zu bestimmen sind, wird die Analyse der SNPs zur Identifizierung von Individuen und zur Untersuchung von Verwandtschaftsverhältnissen verwendet. Außerdem geben sie Hinweise auf genetisch bedingte Krankheiten und Medikamentenunverträglichkeiten.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Der Genotyp (Erbbild) repräsentiert die genetische Ausstattung eines Organismus.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
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