Die genetischen Freibeuter in Schach halten

27. November 2012, 19:47
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Transposons sind seltsame Untermieter im Erbgut, die sich gern selbstständig machen

Ein Wiener Forscherteam untersucht nun die körpereigenen Mechanismen, mit denen sich die DNA-Fragmente unter Kontrolle halten lassen.

Ihr Ursprung dürfte in den Anfängen der Evolution liegen. Seltsame DNA-Einheiten, meist nur wenige tausend Basenpaare lang, die in großer Zahl das Erbgut besiedelt haben und selbstständig ihre Position verändern oder sich gar vermehren können. Fachleute bezeichnen sie als Transposons, auch springende Gene genannt. Man betrachtet die merkwürdigen Untermieter meist als genetische Parasiten, egoistische DNA, ohne Funktion für den Träger, nur auf das eigene Überleben bedacht.

Das menschliche Genom besteht zu rund 48 Prozent aus Transposons. Die meisten davon sind längst inaktiv und harmlos, aber viele können sich noch immer duplizieren oder ihren Standort in den Chromosomen wechseln. " Bei diesem Vorgang entstehen oft DNA-Brüche", sagt Julius Brennecke, Forschungsgruppenleiter am Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA) in Wien. Mögliche Folgen: gefährliche Mutationen, es kann unter anderem zu Unfruchtbarkeit kommen. Für einen Organismus ist es deshalb von größter Wichtigkeit, seine Transposons möglichst weitgehend abzuschalten. Keine einfache Aufgabe, denn ihre Zahl und Vielfalt sind enorm.

Eliminieren ist gefährlich

Es drängt sich die Frage auf, warum diese nicht gezielt zerstört werden, wie es bei manchen Einzellern zu geschehen scheint? Das wäre für höhere Lebewesen wohl nicht praktikabel, erklärt Brennecke. "Die Eliminierung von DNA ist ein extrem gefährlicher Prozess." Zur Entfernung der Transposons müssten die DNA-Stränge gebrochen werden, was zu Mutationen führen würde. "Das kann sich ein Mehrzeller kaum leisten."

Um die marodierenden Untermieter dennoch in Schach halten zu können, entstanden diverse Kontrollmechanismen. Einer der wichtigsten, das piRNA-System, wird von Brennecke und seinem Team intensiv erforscht. piRNAs sind kleine RNA-Fragmente, die von Zellen eigens zum Zweck der Transposon-Blockade produziert werden. Sie stellen praktisch die Schlüsselelemente eines genetischen Immunsystems dar.

Die piRNA werden in spezielle Eiweißmoleküle (Piwi-Proteine) eingebaut und bilden so einsatzfähige Einheiten (pi-RISC-Komplexe) für den Kampf gegen selbstsüchtige DNA. Der Trick dabei: piRNA entsprechen in ihrer Sequenz Abschnitten bestimmter Transposons. Die kleinen RNA-Fragmente ermöglichen somit die exakte Erkennung der Gegner.

Wie Lenkwaffen steuern die pi-RISC-Komplexe ihre im Erbgut eingenisteten Ziele an und blockieren sie. Piwi-Proteine finden sich praktisch im gesamten Tierreich bis hin zum Menschen, erläutert Brennecke. "Das Kernkonzept der piRNA-Systeme ist extrem konserviert." In ihren Mechanismen jedoch sind sie variabel, je nach Spezies oder Gattung. Unterschiedliche Arten haben unterschiedliche Piwi-Moleküle und Komplexe entwickelt.

"Das spiegelt das andauernde evolutionäre Wettrüsten zwischen Transposon und Wirt wider." Das Haupteinsatzgebiet von piRNA-Systemen ist die Keimbahn. Dort, wo die Geschlechtszellen produziert werden, sind Transposons besonders aktiv. Der Hintergrund ist relativ einfach, erklärt Brennecke. Die genetischen Freibeuter haben eine "vertikale Verbreitungsstrategie", sie werden von Generation zu Generation weitergereicht. Dementsprechend versuchen die Transposons, sich in den Keimzellen möglichst stark zu vermehren. Das muss unterbunden werden.

Brennecke und seine Kollegen untersuchen die Wirkungsweise von piRNA-Systemen in der Taufliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus. Ihr Interesse gilt dabei dem exakten Mechanismus, durch den pi-RISC-Komplexe die Aktivität von Transposons blockieren.

Aktivität blockieren

Die Vermehrung und das "Springen" der Erbgut-Vagabunden geht immer deren Transkription, die Anfertigung einer mRNA-Kopie der Transposon-DNA, voraus. Nur so können die Transposon-eigenen Enzymen entstehen, die für die Mobilität entscheidend sind.

Fragt sich nur, wo und wann die pi-RISC-Komplexe intervenieren: Binden sie an der fertiggestellten mRNA und verhindern so deren Funktion, oder greifen sie früher ein? Anscheinend ist Letzteres der Fall. Die Wiener Wissenschafter konnten nachweisen, dass die Produktion von Transposon-codierter mRNA deutlich ansteigt, wenn die pi-RISC-Komplexe experimentell lahmgelegt werden. Mit anderen Worten: Die Transposon-Bekämpfung durch pi-RNA-Systeme basiert zu einem wesentlichen Teil auf dem Verhindern der Transkription. Eine sehr frühzeitige Intervention also. Die Details wurden vor kurzem im Fachmagazin Cell veröffentlicht.

Die notwendige Information für die Produktion von piRNAs wird den bisherigen Erkenntnissen nach in speziellen Chromosomen-Bereichen gespeichert, sagt Julius Brennecke. Die sogenannten piRNA-Cluster "sehen aus wie Transposon-Friedhöfe". Man hielt sie lange für evolutionäre Müllhalden, doch stattdessen dienen diese Abschnitte wohl als vererbbare Referenz-Datenbank für das genetische Immunsystem.

Transposons dürften indes nicht nur negative Einflüsse ausüben. Viele Experten sprechen ihnen eine wichtige Rolle in der Evolution zu. Ähnlich wie normale Mutationen würden die unsteten DNA-Untermieter für Variation im Erbgut sorgen, und so neue Entwicklungen ermöglichen.

So manches Transposon-Gen wurde offensichtlich im Verlauf Evolution so verändert, dass es eine für den Wirt förderliche Funktion annahm. Sequenzen, die Gene an und ausschalten können, sind ein gutes Beispiel, erklärt Julius Brennecke. "Wir unterschätzen oft, wie viele Schaltstellen in unserem Genom irgendwann einmal Transposons waren." (Kurt de Swaaf, DER STANDARD, 28.11.2012)

  • Die inneren Geschlechtsorgane der Drosophila-Fliege, in denen sich die 
Keimzellen bilden (oben). Sie dienen dem Molekularbiologen Julius Brennecke (unten) 
als Modell.
    foto: imba

    Die inneren Geschlechtsorgane der Drosophila-Fliege, in denen sich die Keimzellen bilden (oben). Sie dienen dem Molekularbiologen Julius Brennecke (unten) als Modell.

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