Zwiespältige Seeanemone: Genetisch "halb Tier, halb Pflanze"

22. März 2014, 17:58
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Während das Gen-Repertoire der Seeanemone dem von Wirbeltieren ähnelt, funktioniert die Proteinregulation wie bei Pflanzen, berichten Wiener Forscher

Wien - Ein Forscherteam um den Evolutions- und Entwicklungsbiologen Ulrich Technau von der Universität Wien fand heraus, dass die Seeanemone einerseits eine ähnlich komplexe "Gen-Landkarte" besitzt wie die Fruchtfliege oder andere tierische Modellorganismen. Das legt nahe, dass dieses Prinzip von Genregulation bereits 600 Millionen Jahre alt ist und auf gemeinsame Vorfahren von Mensch, Fliege und Seeanemone zurückgeht. Andererseits hat sie mit Pflanzen die Art der Proteinregulation durch sogenannte microRNAs gemeinsam. Diese überraschenden Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschafter aktuell in zwei Artikeln im Fachjournal "Genome Research".

Im letzten Jahrzehnt haben Genomsequenzierungen von Menschen und vielen Tieren gezeigt, dass anatomisch einfache Organismen wie die Seeanemone erstaunlicherweise ein ähnlich komplexes Genrepertoire wie höhere Modellorganismen aufweisen. Dies legte den Schluss nahe, dass es nicht die An- oder Abwesenheit einzelner Gene ist, die über Unterschiede der morphologischen Komplexität entscheidet: Forscher entwickelten die Hypothese, dass genregulatorische Netzwerke von simplen Organismen wie der Seeanemone einfacher gestrickt sind als die des Menschen oder anderer komplexer Tiere.

"Grammatik" der Gene

Ein Maß für die Komplexität von Genregulation ist die Verteilung und Dichte von regulatorischen Sequenzen im Genom. An diesen Motiven, Enhancer und Promotoren genannt, können sich sogenannte Transkriptionsfaktoren mit der DNA in spezifischer Weise binden und die Expression von Zielgenen regulieren. "Diese kurzen Motive in einem Ozean von Nukleotiden zu finden, ist jedoch alles andere als trivial", erklärt Ulrich Technau.

Während die Gene also gewissermaßen die Worte in der Sprache der Genetik sind, stellen die Enhancer und Promotoren die Grammatik dar. Diese genregulatorischen Sequenzen korrelieren mit bestimmten chemischen, epigenetischen Modifikationen der mit der DNA überall verwobenen Histon-Proteine, dem Chromatin. Durch eine ausgefeilte molekularbiologische Methode, der Chromatin-Immunpräzipitation, konnte die Hertha-Firnberg-Stipendiatin Michaela Schwaiger in der Gruppe von Ulrich Technau die "Enhancer" und "Promotoren" im gesamten Genom der Seeanemone identifizieren und mit den Karten komplexer Organismen vergleichen.

"Da die Seeanemone eine ähnlich komplexe 'Landkarte' von genregulatorischen Elementen besitzt wie die Fruchtfliege oder andere tierische Modellorganismen, liegt für uns der Schluss nahe, dass dieses Prinzip von komplexer Genregulation auf gemeinsame Vorfahren von Mensch, Fliege und Seeanemone zurückgeht", so Schwaiger.

Regulation durch microRNAs

Neben der Kontrolle der Transkription von DNA in RNA kann die Genexpression aber auch bei der Übersetzung der RNA in Proteine reguliert werden. Hierbei spielen microRNAs eine wichtige Rolle. MicroRNAs sind kurze RNAs, die an Ziel-RNAs binden und ihre Translation hemmen können. In den letzten Jahren hat man bei vielen Tieren 100-200, beim Menschen sogar über 1000 verschiedene microRNAs identifiziert, von denen etliche eine wichtige Rolle im Stoffwechsel und vor allem in Entwicklungsprozessen spielen. Mutationen in manchen microRNAs sind mit schweren Fehlentwicklungen und auch Krebs assoziiert. Jede microRNA kann in sequenz-spezifischer Weise an bis zu 100 verschiedene RNAs binden.

"Man geht daher davon aus, dass 30-50 Prozent aller menschlichen protein-kodierenden Transkripte durch microRNAs reguliert werden", erklärt Ulrich Technau. Unklar ist jedoch, wie tierische microRNAs in der Evolution entstanden sind. Sie wurden auch in Pflanzen entdeckt, doch man geht davon aus, dass sie unabhängig entstanden sind, weil sie einerseits keinerlei Sequenzähnlichkeit zu tierischen miRNAs besitzen, andererseits einen anderen Entstehungsweg haben und zudem über einen gänzlich anderen Wirkmechanismus verfügen als die bislang untersuchten Tiere: Pflanzliche microRNAs binden an sehr wenige Ziel-RNAs und leiten mithilfe bestimmter Proteine die spezifische Spaltung der RNA ein. 

Gemeinsamer Vorfahre mit Pflanzen

In Zusammenarbeit mit amerikanischen, französischen und norwegischen Gruppen konnten Technau und sein Team insgesamt 87 microRNAs aus der Seeanemone isolieren. Die große Überraschung war aber, dass die Seeanemonen-microRNA alle Charakteristika von pflanzlichen microRNAs haben: Sie weisen eine fast perfekte Komplementarität zu ihren Ziel-RNAs auf, die daraufhin dann gespalten und nicht wie in anderen Tieren gehemmt werden. Zudem fanden die Forscher ein Protein, dass bei Pflanzen essentiell für die Biogenese der microRNAs ist und dass man zuvor in keinem der tierischen Modellorganismen gefunden hat. Vergleicht man die jeweiligen Sequenzen, so findet man je eine microRNA mit Ähnlichkeit zu einer pflanzlichen und tierischen microRNA.

Nachdem also das Genom, das Gen-Repertoire und die Genregulation auf DNA-Ebene der Seeanemone dem der Wirbeltiere erstaunlich ähnlich ist, ist die post-transkriptionelle Regulation so wie in Pflanzen und geht vermutlich auf einen gemeinsamen Vorfahren mit Pflanzen zurück. Diese Befunde sind der erste qualitative Unterschied zwischen den Nesseltieren und den "höheren" Tieren und geben einen Einblick, wie sich wichtige Ebenen der Genregulation unterschiedlich entwickeln können. (red, derStandard.at, 22.3.2014)

  • Ausgewachsener Polyp der Seeanemone-Spezies Nematostella vectensis.
    foto: nature

    Ausgewachsener Polyp der Seeanemone-Spezies Nematostella vectensis.

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