Sprunghafte Gene geben Aufschluss darüber, wie fortgeschritten das Leben geworden sein könnte.

Eine bisher nicht geschätzte Interaktion im Genom erweist sich als eine der treibenden Kräfte bei der Entstehung eines fortgeschrittenen Lebens vor Milliarden von Jahren.

Diese Entdeckung begann mit einer Neugierde auf Retrotransposons, die als „springende Gene“ bekannt sind, also DNA-Sequenzen, die sich im Genom kopieren und einfügen und sich schnell vermehren. Fast die Hälfte des menschlichen Genoms besteht aus Retrotransposons, aber Bakterien haben sie kaum.

Nigel Goldenfeld, Swanlund Stiftungslehrstuhl für Physik an der University of Illinois und dem Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, und Thomas Kuhlman, ein ehemaliger Physikprofessor an der University of California, Riverside, fragten sich, warum das so ist.

„Wir dachten, dass eine wirklich einfache Sache, um zu versuchen, war, ein (Retrotransposon) aus meinem Genom zu nehmen und es in die Bakterien zu stecken, nur um zu sehen, was passieren würde“, sagte Kuhlman. „Und es stellte sich heraus, dass es wirklich sehr interessant war.“

Ihre Ergebnisse, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, geben der Geschichte mehr Tiefe, wie fortgeschritten das Leben vor Milliarden von Jahren entstanden sein mag – und könnten auch dazu beitragen, die Möglichkeit und Natur des Lebens auf anderen Planeten zu bestimmen.

Auf dem Weg zur Erklärung des Lebens trafen die Forscher zunächst auf den Tod – den bakteriellen Tod. Als sie Retrotransposons in Bakterien einführten, war das Ergebnis tödlich.

„Während sie herumhüpfen und Kopien von sich selbst machen, springen sie in Gene, die die Bakterien zum Überleben brauchen“, sagte Kuhlman. „Es ist unglaublich tödlich für sie.“

Wenn sich Retrotransposonen innerhalb des Genoms kopieren, finden sie zunächst eine Stelle in der DNA und schneiden sie auf. Um zu überleben, muss der Organismus dann diesen Schnitt reparieren. Einige Bakterien, wie z.B. E. coli, haben nur eine Möglichkeit, diese Reparatur durchzuführen, was in der Regel dazu führt, dass das neue Retrotransposon entfernt wird. Aber fortgeschrittene Organismen (Eukaryonten) haben einen zusätzlichen „Trick“, der als nicht-homologes Endjoining oder NHEJ bezeichnet wird, der ihnen eine andere Möglichkeit gibt, Schnitte in ihrer DNA zu reparieren.

Goldenfeld und Kuhlman beschlossen, zu sehen, was passieren würde, wenn sie den Bakterien die Möglichkeit gäben, NHEJ zu machen, und dachten, dass es ihnen helfen würde, den Schaden an ihrer DNA zu tolerieren. Aber es machte die Retrotransposons nur besser in der Vermehrung und verursachte noch mehr Schaden als zuvor.

„Es hat einfach alles getötet“, sagte Kuhlman. „Damals dachte ich, ich würde nur etwas falsch machen.“

Sie erkannten, dass die Interaktion zwischen NHEJ und Retrotransposons wichtiger sein kann, als sie bisher dachten.

Eukaryonten haben typischerweise viele Retrotransposons in ihrem Genom, zusammen mit vielen anderen „Junk“-DNAs, die keine gut verstandene Funktion haben. Innerhalb des Genoms muss es ein ständiges Wechselspiel zwischen NHEJ und Retrotransposons geben, da NHEJ versucht zu kontrollieren, wie schnell sich die Retrotransposons vermehren. Dies gibt dem Organismus mehr Macht über sein Genom, und das Vorhandensein von „Junk“-DNA ist wichtig.

„Da Sie mehr und mehr Schrott in Ihrer DNA bekommen, können Sie anfangen, diese Stücke zu nehmen und sie auf verschiedene Weise miteinander zu kombinieren, mehr Möglichkeiten, als Sie ohne den ganzen Schrott da drin könnten“, sagte Kuhlman.

Diese Bedingungen – die Anhäufung von „Junk“-DNA, das Vorhandensein von Retrotransposons und ihre Wechselwirkungen mit NHEJ – machen das Genom komplexer. Dies ist ein Merkmal, das fortgeschrittene Organismen, wie den Menschen, von einfacheren, wie Bakterien, unterscheiden kann.

Fortgeschrittene Organismen können ihr Genom auch mit ihrem Spleißosom verwalten, einer molekularen Maschine, die die „Junk“-DNA durchsucht und die Gene wieder normalisiert.

Einige Teile des Spleißosoms ähneln den Introns der Gruppe II, der primitiven Version der Retrotransposons von Bakterien. Introns sind auch in Eukaryonten zu finden, und zusammen mit dem Spleißosom werden sie evolutionär von Introns der Gruppe II abgeleitet. Goldenfeld sagte, dass dies eine evolutionäre Frage aufwirft.

„Was kam zuerst, das Spleißosom oder die Introns der Gruppe II? Offensichtlich ist die Gruppe II introns“, sagte er. „Also kannst du fragen: Woher hat die eukaryotische Zelle zuerst diese Introns der Gruppe II bekommen, um das Spleißosom früh aufzubauen?“

Diese Studie deutet darauf hin, dass Gruppe II Introns, die Vorfahren der Introns im Spleißosom und Retrotransposons in Eukaryonten, irgendwie in frühe eukaryotische Zellen eingedrungen sind. Dann schufen ihre Interaktionen mit NHEJ einen „Selektionsdruck“, der zur Entstehung des Spleißosoms führte, das dem Leben vor Milliarden von Jahren zu fortgeschrittenem Leben verhalf.

Das Spleißosom half dem Leben, sich weiterzuentwickeln, indem es Eukaryonten befähigte, mehr aus ihrer DNA zu machen. Zum Beispiel, obwohl der Mensch etwa die gleiche Anzahl von Genen hat wie C. elegans, ein Wurm, kann der Mensch mit diesen Genen mehr erreichen.

„Es gibt nicht viel Unterschied zwischen diesem sehr einfachen Wurm und den Menschen, was offensichtlich verrückt ist“, sagte Goldenfeld. „Was passiert, ist, dass der Mensch in der Lage ist, diese Gene zu nehmen und sie in vielen Kombinationen zu kombinieren, um viel komplexere Funktionen zu erfüllen als C. elegans.“

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