Wissenschaftler haben erstmals ein „de novo-Gen“ entdeckt, das nicht durch Neukombination bereits bestehender Gene gebildet wurde, sondern in einem zuvor funktionslosen DNA-Abschnitt entstand. Bisher war ein solcher Entstehungsmechanismus neuer Gene im Laufe der Evolution nur theoretisch postuliert worden. Die jetzt in der Fachzeitschrift „Current Biology“ veröffentlichte Studie liefert den ersten Beleg in der Praxis.
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Etwa 25.000 Gene finden sich im Erbgut von Säugetieren. Manche von ihnen bestehen bereits seit Hunderten Millionen von Jahren, ohne dass sie sich verändert haben, andere sind – gemessen an der Evolutionsgeschichte – relativ jung. Lange Zeit herrschte die Meinung bei Evolutionsbiologen, dass Gene neu entstehen, indem DNA-Sequenzen, die bereits genetische Informationen tragen, neu kombiniert werden. Die Wissenschaftler nahmen an, dass diese Neuentstehung durch Duplikation relativ rasch vonstatten geht.
Junges Gen entstand in Junk-DNA-Abschnitt
Jetzt hat jedoch eine Forschergruppe um Diethard Tautz vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön etwas völlig Neues entdeckt: ein neues Gen in Mäusen, das aus einem zuvor funktionslosen DNA-Abschnitt (Junk-DNA) in einem längeren Zufallsprozess entstanden ist.
Es gelang den Plöner Forschern durch Vergleiche mit anderen Spezies, die Geburtsstunde des Gens auf die Zeit vor 2,5 bis 3,5 Millionen Jahren zu datieren. Das evolutionsgeschichtlich sehr junge Gen wurde im Chromosom Nr. 10 der Maus entdeckt.
Dass ein Gen an einer bislang funktionslosen Stelle der DNA entstehen kann, wurde zwar auf der Basis von Genomvergleichen bei verschiedenen Drosophila Arten postuliert. Den Wissenschaftlern ist nun aber erstmals der Nachweis über die Abfolge der notwendigen Mutationen eines dieser Gene gelungen.
„Unser neu entdecktes Gen ist das einzige, das sich in der Mitte eines langen nicht-kodierenden Chromosomenabschnitts befindet“, sagt Fabian Staubach aus dem Plöner Forschungsteam. „Das hat uns die Arbeit erleichtert. Der gleiche Abschnitt kommt auch in allen anderen uns bekannten Säugetier-Genomen vor. Aber nur bei Mäusen existiert dieses Gen. Durch eine Reihe von Sequenzanalysen konnten wir konkrete Mutationen identifizieren, die nur in der Maus vorkommen und die wir für die de novo-Entstehung des Genes verantwortlich machen. Es ist erstaunlich, dass ein so geringer genetischer Unterschied ein ganzes Gen definieren kann.“
Funktion in der Fortpflanzung
Durch Vergleiche mit Mäusen nahe verwandter Arten kam außerdem zutage, dass das Gen nach seiner Entstehung bei Selektionsprozessen eine große Rolle gespielt hat. Varianten des Gens scheinen in manchen Mausunterarten ihren Trägern einen Vorteil zu verschaffen.
Um die genaue Funktion des Gens heraus zu finden, wurde bei Labormäusen das Gen inaktiviert (Knock-out). „Wir haben bei den Tieren, denen das Gen fehlte, eindeutig kleinere Hoden und langsamere Spermien festgestellt. Dieses Gen hat eine erkennbare Funktion bei der der Fortpflanzung und bewirkt offensichtlich einen Evolutionsvorsprung“, erklären Tobias Heinen und Daniela Häming. Auch ältere Untersuchungen weisen daraufhin, dass durch Duplikationen neu entstandene Gene oft in den Hoden aktiv sind.
Neubildung in der männlichen Keimbahn leichter
Die Plöner vermuten, dass Elemente, die prinzipiell für die Funktion von Genen notwendig sind, überall im Genom vorkommen. Die Regeln für die Aktivierung von Genen sind in den Zellen der männlichen Keimbahn anders und anscheinend weniger komplex, als in anderen Geweben. Das könnte erklären, warum vereinzelt einige Mutationen ausreichen, um ein neues Gen entstehen zu lassen. Solche neue Gene werden dann über die Spermien an die nächste Generation weitervererbt und können – wenn sie sich bewähren – im Laufe der Evolution weiter angepasst werden und auch von anderen Geweben im Körper rekrutiert werden.
De-novo-Entstehung wichtiger als angenommen
Die Ergebnisse zeigen, dass die de novo-Entstehung von Genen eine wichtigere Rolle in der Evolution annehmen könnte als bisher angenommen wurde. „Bisher wurde die Bedeutung von de novo-Evolution unterschätzt. Wir gehen davon aus, dass weitaus mehr solcher Gene identifiziert werden, wenn die Suche nach ihnen intensiviert wird. Wie hoch die Rate an de novo-Gen-Entstehung tatsächlich ist, können wir noch nicht abschätzen. Dieses herauszufinden wird eine Aufgabe für die Zukunft“, sagt Diethard Tautz, Direktor am Plöner Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie.
(Max-Planck-Gesellschaft, 22.09.2009 – NPO)
