Das Rätsel der 21. Aminosäure

Mysteriöser Lebensbaustein: Nach gängiger Lehrmeinung sind 20 Aminosäuren unverzichtbar – doch es gibt noch eine 21., das Selenocystein. Sie wird von fast allen Wirbeltieren und vielen weiteren Lebewesen benötigt und produziert. Merkwürdig nur: Für sie existiert im Erbgut der Organismen kein eigener DNA-Code. Warum das so ist, ist bislang rätselhaft. Jetzt haben Genanalysen bei Pilzen neue Einblicke in die mögliche Evolution dieser 21. Aminosäure geliefert.

In unserem Erbgut sind die Bauanleitungen für Aminosäuren jeweils als Basencode aus drei „Buchstaben“ codiert. Insgesamt existieren 61 solcher Codons für 20 verschiedene Aminosäuren, dazu drei Stoppcodons, die an passender Stelle das Ablesen des Codes abbrechen. Lange galten deshalb nur diese 20 Aminosäuren als essenziell – für das Funktionieren des Stoffwechsels unverzichtbar.

Aminosäure-Produktion auf Umwegen

Doch inzwischen ist klar, dass wir Menschen, viele Tiergruppen und einige Algen und Einzeller noch eine 21. Aminosäure benötigen, das Selenocystein. Um sie trotz fehlendem Codon herzustellen, wird in einem aufwändigen Prozess mithilfe von Enzymen und der RNA ein Stoppcodon umfunktioniert. „Das UGA, normalerweise ein Stoppcodon, wird über einen ungewöhnlichen Recoding-Mechanismus dann als Sec ausgelesen“, erklären Marco Mariotti von der Harvard Medical School in Boston und seine Kollegen.

Merkwürdig nur: Wenn diese 21. Aminosäure für so viele Lebewesen essenziell ist, warum hat die Natur dann nicht gleich ein eigenes Codon dafür geschaffen? Und warum wird das Selenocystein nicht von allen Organismen produziert? Denn selbst innerhalb einiger Tiergruppen wie den Insekten oder Nematoden besitzen einige Vertreter diese Maschinerie, andere dagegen nicht. Bisher ist daher unklar, ob die Fähigkeit, Selenocystein herzustellen, vielfach parallel entwickelt oder aber parallel verloren wurde.

Pilze: Und sie haben sie doch!

Jetzt liefern Genanalysen bei Pilzen eine mögliche Antwort. „Pilze galten lange als das einzige Organismenreich, dem Selenocystein komplett fehlt“, berichten Mariotti und sein Team. Doch als sie nun das Erbgut von Pilzen aus mehreren relativ ursprünglichen, bisher kaum erforschten Pilzgruppen nach Hinweisen auf die 21. Aminosäure durchsuchten, wurden fündig: Neun dieser rund 1.000 Pilzarten nutzen und produzieren Selenocystein.

„Das war für uns ziemlich überraschend“, sagt Koautor Toni Gabaldon vom Zentrum für Genomregulation in Barcelona. Nähere Analysen ergaben, dass alle neun Pilzarten ihre für die Selenocystein-Produktion nötige Zellmaschinerie von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt haben müssen – möglicherweise sogar vom Urahn aller Pilze. „Das spricht dafür, dass dieses Merkmal von der Wurzel der Eukaryoten stammt“, so die Forscher.

Ursprung an der Wurzel der Eukaryoten?

Demnach könnte die 21. Aminosäure trotz ihres ungewöhnlichen und aufwendigen Herstellungswegs schon fast so alt sein wie das Leben selbst. „Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass Selenoproteine trotz ihres lückenhaften Vorkommens in allen Reichen des Lebens auftreten“, konstatieren Mariotti und seine Kollegen. Warum allerdings die Natur dann nicht gleich ein eigenes DNA-Codon für diese Aminosäure entwickelt hat, ist ungeklärt.

Und noch etwas ist merkwürdig: „Es bleibt die Frage, warum diese Zellmaschinerie in einigen Organismen verloren ging, während sie für andere essenziell ist“, sagt Gabaldon. Für uns und die meisten Wirbeltiere ist diese Aminosäure überlebensnotwendig. Damit sie produziert werden kann, müssen wir genügend Selen aufnehmen. Doch worin die Bedeutung dieser 21. Aminosäure liegt und warum sie eine Sonderstellung einnimmt, bleibt vorerst rätselhaft. (Nature Microbiology, 2019; doi: 10.1038/s41564-018-0354-9)

Quelle: Centre for Genomic Regulation