Bedeutsamer Irrtum: Bisher galten Mutationen nur dann als schädlich, wenn sie den DNA-Code eines Proteins verändern. Doch das ist ein Irrtum, wie nun eine Studie mit Hefen enthüllt. In ihr verringerten Punktmutationen auch dann die Fitness der Zellen, wenn der Austausch einer DNA-Base zum exakt gleichen Protein führte. Diese synonymen Punktmutationen erwiesen sich als ähnlich schädlich wie nichtsynonyme, den Proteinbauplan-verändernde Mutationen, wie das Team in „Nature“ berichtet.
Im genetischen Code stehen jeweils Tripletts aus drei DNA-Basen für eine bestimmte Aminosäure. Schon seit den 1960er Jahren aber ist bekannt, dass es für einige Aminosäuren mehrere synonyme Basentripletts gibt. Der Proteincode bleibt trotz solcher Unterschiede in den DNA-Basen unverändert. Nach gängiger Lehrmeinung haben daher Punktmutationen, die ein Codetriplett in sein Synonym umwandeln, kaum Auswirkungen. Solche synonymen Mutationen machen immerhin ein Viertel bis ein Drittel aller Punktmutationen in unserem Genom aus, galten aber bisher als neutral und weitgehend unschädlich.
Hefe im Mutations-Test
Doch das ist ein Irrtum, wie nun Xukang Shen von der University of Michigan und seine Kollegen herausgefunden haben. Für ihre Studie hatten sie im Labor zunächst in 21 Genen der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) künstlich synonyme und nichtsynonyme Punktmutationen erzeugt. Bei jeweils nur einer Punktmutation pro Gen ergab dies mehr als 8.000 Genvarianten. Jeweils eine davon setzten sie anschließend mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 in lebende Hefezellen ein.
Um herauszufinden, ob diese Punktmutationen die Fitness der Zellen beeinflussten, züchteten die Forschenden ihre künstlich mutierten Hefen in einem optimalen Nährmedium 48 Generationen lang weiter. Anschließend ermittelten sie, wie gut sich die Hefen im Vergleich zum Wildtyp vermehrt hatten und testeten zusätzlich Stoffwechselaktivität und Wachstumsrate auf verschiedenen Nährmedien.
75 Prozent sind schädlich
Das überraschende Ergebnis: Die synonymen Punktmutationen verringerten die Fitness der Hefen ähnlich stark wie die nichtsynonymen, den Proteincode verändernden Mutationen. „75,9 Prozent der synonymen Mutationen waren signifikant schädlich, bei den nichtsynonymen waren es 75,8 Prozent“, berichten Shen und seine Kollegen. 1,3 bis 1,6 Prozent beider Mutationstypen erwiesen sich als vorteilhaft, der Rest war in Bezug auf die Fitness neutral.
„Wir waren geschockt über dieses Ausmaß“, sagt Seniorautor Jianzhi Zhang von der University of Michigan. „Seit der Entschlüsselung des genetischen Codes in den 1960er Jahren hielt man synonyme Mutationen für harmlos. Jetzt zeigt sich, dass diese Annahme falsch ist.“ Selbst unter optimalen Bedingungen war die große Mehrheit der synonymen Mutationen nicht neutral, sondern wirkte sich negativ auf die Fitness der Hefen aus.
Basentausch beeinträchtigt Boten-RNA
Aber warum sind diese DNA-Veränderungen schädlich, obwohl der Proteincode unverändert bleibt? Ergänzende Analysen ergaben, dass die Veränderung der Basentripletts zwar nicht die Aminosäure im Proteinbauplan verändert. Der Austausch der DNA-Base kann aber dazu führen, dass das Gen weniger häufig abgelesen wird oder dass die dabei gebildete Boten-RNA (mRNA) weniger stabil ist. Beides beeinflusst die Aktivität dieses Gens und dadurch auch Gesundheit und Fitness der Zelle. So haben beispielsweise viele Krankheiten ihren Ursprung in Veränderungen der Genexpression.
„Unsere Ergebnisse sprechen für einen allgemeinen Mechanismus, durch den Mutationen in proteinkodierenden Genen die Fitness beeinträchtigen“, schreiben Shen und seine Kollegen. Der synonyme und nichtsynonyme Austausch einzelner DNA-Basen wirkt dabei auf die Menge der vom mutierten Gen produzierten Boten-RNA. Aber auch Unterschiede in der Faltung der mRNA oder bei der Translation an den Ribosomen könnten dazu beitragen.
Lehrmeinung widerlegt
Damit scheint klar, dass die gängige Lehrmeinung so nicht mehr stimmt. Denn selbst Punktmutationen, die den Proteincode nicht verändern, sind alles andere als neutral. „Weil viele biologische Schlussfolgerungen bisher auf genau dieser Annahme beruhten, hat ihre Widerlegung weitreichende Bedeutung“, erklärt Zhang. „So werden synonyme Mutationen bisher in Studien zu krankheitsverursachenden Genveränderungen meist ignoriert – und ihre Wirkung damit stark unterschätzt.“
Bisher haben die Forschenden die gängige Lehrmeinung zu synonymen Mutationen zwar nur bei der Hefe untersucht und widerlegt, sie halten es aber für wahrscheinlich, dass dies auch für andere Lebewesen gilt. „Es gibt keinen Grund, warum unsere Resultate nicht auch auf andere Organismen übertragbar sein sollten“, konstatieren Shen und seine Kollegen. Dies müsse nun in Folgestudien weiter untersucht werden. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04823-w)
Quelle: University of Michigan
