Die DNA enthält den Bauplan des Körpers, aber sie ist ein lebendiges Dokument: Designanpassungen können mithilfe epigenetischer Markierungen vorgenommen werden.
Epigenetische Markierungen sind Modifikationen von DNA-Basen, die den grundlegenden genetischen Code nicht verändern, sondern zusätzliche Informationen darüber schreiben, die zusammen mit dem Genom vererbt werden können.
Epigenetische Markierungen regulieren typischerweise die Genexpression – schalten Gene ein oder aus – besonders früh in der Entwicklung oder wenn der Körper unter Stress steht. Sie können auch springende Gene unterdrücken, bewegliche Elemente, die die Integrität des Genoms bedrohen.
Bei Menschen und anderen Eukaryoten sind zwei epigenetische Hauptmerkmale bekannt. Jetzt haben MBL-Wissenschaftler eine dritte, neue epigenetische Markierung entdeckt, die bisher nur bei Bakterien bekannt war, bei bdelloiden Rädertierchen, kleinen Süßwassertieren. Über diese grundlegende und überraschende Entdeckung wird in Nature Communications berichtet.
Bereits 2008 fanden wir heraus, dass bdelloide Rädertierchen sehr gut darin sind, fremde Gene zu greifen“, sagte Irina Arkhipova, Seniorautorin der Studie. Wir fanden heraus, dass Rädertierchen vor etwa 60 Millionen Jahren versehentlich ein bakterielles Gen aufgenommen haben, das es ihnen ermöglichte, eine neue epigenetische Markierung einzuführen, die vorher nicht existierte. Dies ist das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass ein horizontal übertragenes Gen das Genregulationssystem in Eukaryoten verändert.
Dies ist sehr ungewöhnlich und wurde bisher nicht gemeldet. Es wird angenommen, dass horizontal übertragene Gene eher operative als regulatorische Gene sind. Es ist schwer vorstellbar, wie ein einzelnes horizontal übertragenes Gen ein neues Regulationssystem bilden könnte, da bestehende Regulationssysteme bereits sehr komplex sind.
Es ist fast unglaublich“, sagte Co-Autorin Irina Yushenova. Versuchen Sie sich einfach vorzustellen, dass irgendwo in der Vergangenheit versehentlich ein Fragment bakterieller DNA mit einem Fragment eukaryotischer DNA verschmolzen ist. Beide fügten sich in das Genom der Rädertierchen ein und bildeten ein funktionsfähiges Enzym. Es ist nicht einmal im Labor einfach, und es ist ganz natürlich passiert. Und dann schuf dieses zusammengesetzte Enzym dieses erstaunliche Regulationssystem, und die bdelloiden Rädertierchen konnten damit beginnen, all diese hüpfenden Transposons zu kontrollieren. Es ist wie Magie.
Sie wollen nicht, dass Transposons (Abschnitte der DNA von Organismen, die sich innerhalb des Genoms bewegen oder transponieren und replizieren können) in Ihrem Genom herumhüpfen, sagen die Wissenschaftler. Sie werden alles ruinieren, also musst du sie unter Kontrolle halten. Und das epigenetische System, um dies zu erreichen, ist bei verschiedenen Tieren unterschiedlich. In diesem Fall hat der horizontale Gentransfer von Bakterien auf bdelloide Rädertierchen ein neues epigenetisches System in Tieren geschaffen, das zuvor noch nicht beschrieben wurde.
Bdelloid-Rädertierchen müssen besonders ihre Transposons kontrollieren, da sie sich meist ungeschlechtlich vermehren, sagte Irina Arkhipova.
Asexuelle Linien haben weniger Möglichkeiten, die Ausbreitung schädlicher Transposons zu unterdrücken, sodass das Hinzufügen einer zusätzlichen Schutzschicht eine Mutationskrise verhindern könnte. Tatsächlich ist die Transposon-Häufigkeit bei Bdelloiden viel geringer als bei Geschlechts-Eukaryoten, die diese zusätzliche epigenetische Schicht in ihrem Genom-Abwehrsystem nicht haben.
Bei zwei bisher bekannten epigenetischen Markierungen in Eukaryoten wird eine Methylgruppe an die DNA-Base, Cytosin oder Adenin, angefügt. Die neu entdeckte Markierung ist ebenfalls eine Modifikation von Cytosin, aber mit einer ausgeprägten bakterienähnlichen Anordnung der Methylgruppe, die im Wesentlichen evolutionäre Ereignisse vor mehr als zwei Milliarden Jahren wiederholt, als gemeinsame epigenetische Markierungen in frühen Eukaryoten auftauchten.
Bdelloid Rädertierchen sind extrem widerstandsfähige Tiere. Sie können über Wochen oder Monate vollständig austrocknen und dann wieder zum Leben erweckt werden, wenn Wasser verfügbar wird. Während der Austrocknungsphase zerbricht ihre DNA in viele Stücke.
Wenn sie die Enden ihrer DNA rehydrieren oder anderweitig zugänglich machen, könnten fremde DNA-Fragmente von aufgenommenen Bakterien, Pilzen oder Mikroalgen in das Genom der Rädertierchen übertragen werden, sagte Irina Arkhipova. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass etwa 10 Prozent des Genoms der Rädertierchen aus nicht metazoischen Quellen stammen.
Und doch waren die Wissenschaftler überrascht, im Genom der Rädertierchen ein Gen zu finden, das der bakteriellen Methyltransferase ähnelt (Methyltransferase katalysiert die Übertragung einer Methylgruppe in der DNA). Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass dieses Gen für diese neue Transposon-Unterdrückungsfunktion verantwortlich ist, und wir haben die letzten sechs Jahre damit verbracht, zu beweisen, dass dies tatsächlich der Fall ist“, sagte Irina Arkhipova.
Es ist noch zu früh, um zu sagen, welche Auswirkungen die Entdeckung dieses neuen epigenetischen Systems bei Rädertierchen haben könnte.
Ein guter Vergleich ist das CRISPR-Cas-System in Bakterien, das als Entdeckung der Grundlagenforschung begann. CRISPR-Cas9 wird inzwischen in großem Umfang als Gen-Editing-Tool in anderen Organismen eingesetzt.
2022-03-05 03:53:56
Autor: Vitalii Babkin