Das Schlüssel-Gen des Zufalls

14. Oktober 2008, 20:29
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Die Regulation der Gene ist das Forschungsfeld der Molekularbiologin Leonie Ringrose - Im STANDARD-Interview berichtet sie von einigen gelösten Rätseln der Evolution

STANDARD: Sämtliche Zellen im Organismus enthalten dieselbe Ausstattung an Erbinformation. In unterschiedlich spezialisierten Zellen wird jedoch immer nur ein Teil dieser Information abgelesen, der Rest wird durch ausgeklügelte Mechanismen stillgelegt. Wie?

Ringrose: Im DNA-Molekül gibt es Gene, die mit ihrer spezifischen Information für die Entwicklung des Organismus verantwortlich sind, und regulatorische DNA-Abschnitte, die kontrollieren, wie viel von einem Gen abgelesen wird. Diese Regulatoren können Sie mit der Lautstärke ihres MP3-Players vergleichen: Nicht die Musik ändern sich, sondern eben nur die Lautstärke. Und genau diese Regulatoren interessieren uns. Sie liegen nicht im jeweiligen Gen, sondern nebenan, links oder rechts oder mitten drin.

Diese Strukturen sind also nicht Teil des Gens, sondern bilden einen Schalter. Diese Elemente haben das Team um meinen Partner Marc Rehmsmeier, der damals noch an der Uni Bielefeld war und heute hier am Gregor-Mendel-Institut arbeitet, und meine Gruppe vor fünf Jahren bereits theoretisch vorhergesagt und in biomathematischen Modellen errechnet. Marcs Gruppe lieferte die Bioinformatik, wir haben die biologischen Experimente gemacht.

STANDARD: Und wie geht man da vor?

Ringrose: Man hat damals etwa zehn dieser regulatorischen Elemente gekannt. Wir haben uns die DNA-Sequenz angesehen, indem wir die Eigenschaften der bereits bekannten miteinander verglichen haben, und dabei die Signatur dieser regulatorischen Elemente entdeckt. Anhand dieser Signatur haben wir noch 167 weitere vorhergesagt. Diese Studie ist 2003 erschienen. Wir haben diese Regulatoren nicht nur in der Theorie, sondern schließlich auch im Labor bei Fliegen experimentell bestätigt.

STANDARD: Jetzt erscheint wieder eine Publikation von Ihnen, in der Sie diese Regulatoren mit der Evolution in Zusammenhang bringen. Worum geht es da?

Ringrose: Damals hatten wir alles nur an einer Spezies von Fliegen, an der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, geforscht. Die Wissenschaft interessiert sich jedoch für Genom-Vergleiche. Inzwischen haben wir die Genome von zwölf verschiedenen Fliegenspezies, die wir miteinander vergleichen können. Damit können wir auch die Evolution nachzeichnen, indem wir schauen, ob die Spezies eng miteinander verwandt oder weit voneinander entfernt sind.

Was unsere Forschungen betrifft, so haben wir eine interessante Entdeckung gemacht: Die Lehrmeinung über DNA-Evolution besagt, dass diese Regulatoren zwischen verwandten Spezies sehr ähnlich sein müssen und etwa an derselben Stelle liegen. Wir jedoch konnten zeigen, dass diese Strukturen innerhalb der DNA lokal stark springen und sich viel schneller ändern, als erwartet. Diese Arbeit erscheint am 28. Oktober bei Plos Biology.

STANDARD: Was leiten Sie daraus ab? Welche Folgen für die Evolution hat diese doch überraschende Varianz?

Ringrose: Das herauszufinden wird unsere nächste Forschungsarbeit sein. Über die Folgen für unsere gängige Theorie über Evolution kann man heute nur spekulieren.

STANDARD: Dann spekulieren Sie kurz ...

Ringrose: Na gut, aber nur ganz vorsichtig. Diese regulatorischen Elemente sind ja für das Gedächtnis von jenen Schlüssel-Genen verantwortlich, die die Entwicklung eines Organismus bestimmen. Die Regulatoren erinnern sich über viele Zellteilungen hinweg, ob das Gen ein- oder ausgeschaltet sein muss oder, um beim MP3-Player zu bleiben, wie laut die in dem Gen gespeicherte Information abgelesen werden muss, damit es seine Aufgabe richtig erfüllt. Wenn dieser Regulator aber in einer anderen Spezies in einer veränderten Form vorliegt, könnte es sein, dass sich der Regulator nicht mehr so lange an das erinnert, an was er sich erinnern soll, oder aber, dass er mehr oder weniger zum Ablesen frei- gibt. Das könnte dann Konsequenzen für die Information des Gens bei der Entwicklung des Organismus haben, also für die Merkmale des Tieres. Darauf basiert dann natürlich wieder die Selektion im Zuge der Evolution.

STANDARD: Ich mag jetzt auch spekulieren. Man geht davon aus, dass Evolution je nach Entwicklungsgrad und Generationenfolge extrem langsam passiert. Mit Ihrer Erkenntnis wird man das revidieren, oder?

Ringrose: Ich hoffe, Sie haben Recht. Bisher haben wir zwar noch keinen Beweis dafür, aber das wäre sehr schön, ich liebe Veränderung. Ich kann ihnen dazu ein kleines Beispiel nennen, das vielleicht ein wenig absurd klingt: Männliche Fliegen haben an ihren Vorderbeinen Strukturen, die sich Sex Combs nennen, also Geschlechtskämme, und auch tatsächlich aussehen wie ein Kamm. Damit halten sie Weibchen beim Geschlechtsakt fest. Diese Kämme sind wichtig für die Reproduktion. Männchen mit stärker ausgeprägten Sex Combs, die Weibchen also besser festhalten können, sind in der Fortpflanzung erfolgreicher als andere.

Bei einer anderen Fliegenspezies haben die Männchen sogar doppelte Geschlechtskämme an ihren Beinen, was eine gewaltige Auswirkung auf den sexuellen Erfolg dieser Männchen hat. Die Gene, die diese Strukturen ausbilden, die haben ja auch unsere Lieblingselemente, diese Regulatoren. Im Sinne der Evolution sind diese Gene und ihre Regulatoren also ein Hotspot. Wenn sich diese Regulatoren ändern, kann das sehr schnell evolutionäre Auswirkungen haben. Das ist jetzt reine Theorie, aber es wird spannend, das experimentell zu untersuchen.

STANDARD: Wir haben uns bisher nur über Unterschiede der Regulatoren zwischen verschiedenen Spezies unterhalten. Wie sieht es aber mit solchen Differenzen innerhalb derselben Spezies, also von einer Generation zur nächsten, aus?

Ringrose: Das ist eine interessante Frage. Wir haben hier sogar schon ein bisschen Information dazu. Bei einem DNA-Vergleich einiger Schwesternstämme von Fruchtfliegen haben wir gesehen, dass sich diese regulatorischen Strukturen tatsächlich sehr schnell ändern können. Derzeit wird untersucht, ob diese Veränderungen bereits Auswirkungen auf die Funktion der betroffenen Gene haben.

STANDARD: Machen wir einen Artensprung. Hat der Mensch auch so ein Regulatorensystem wie die Fliege?

Ringrose: Das ist theoretisch absolut denkbar, ja. Allerdings ist es so, dass wir beim Menschen diese regulatorischen Elemente noch nicht so gut kennen. Wir wissen, dass es sie geben muss. Diese Regulatoren werden von Proteinen gebunden, und wir kennen diese Proteine. Aber die Identität dieser Regulatoren ist noch eine große offene Frage. Mit Computermodellen können wir sie gar nicht vorhersagen, weil wir nicht wissen, woraus sie bestehen. Aber wir arbeiten daran. (Andreas Feiertag/DER STANDARD, Printausgabe, 15.10.2008)

Zur Person
Die Londonerin Leonie Ringrose (42) studierte Molekularbiologie. Nach Forschungsaufenthalten an den Unis in Montpellier und Heidelberg kam sie 2006 an das Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Dort beforscht sie als Gruppenleiterin das genetische Gedächtnis und die genetische Regulation.

  • Kam von London über Montpellier und Heidelberg nach Wien: die Molekularbiologin Leonie Ringrose, die am Institut für Molekulare Biotechnologie (Imba) an Fruchtfliegen forscht und die Geheimnisse der genetischen Informationsauslese lüften will.
    foto: der standard/fischer

    Kam von London über Montpellier und Heidelberg nach Wien: die Molekularbiologin Leonie Ringrose, die am Institut für Molekulare Biotechnologie (Imba) an Fruchtfliegen forscht und die Geheimnisse der genetischen Informationsauslese lüften will.

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