"Wettrüsten zwischen Wirt und Genparasiten"

18. April 2014, 14:33
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Die Molekularbiologin Ortrun Mittelsten Scheid vom Wiener Gregor-Mendel-Institut erforscht die Welt der Vererbung

STANDARD: Sie und Ihre Arbeitsgruppe sind unter anderem auf die Erforschung von epigenetischen Veränderungen im Erbgut von Pflanzen spezialisiert. Worum handelt es sich dabei?

Mittelsten Scheid: Epigenetik heißt wörtlich: über der Genetik. Der Begriff wurde ursprünglich geprägt, um zu beschreiben, wie verschiedene Zelltypen aus Vorläuferzellen mit gleicher Erbinformation entstehen. Inzwischen versteht man darunter eher einen Regulationsmechanismus, der entscheidet, welche Gene zum Ablesen bestimmt sind; er dient aber auch zum stabilen Stilllegen der nicht gebrauchten Abschnitte, einschließlich "genomischer Parasiten". Epigenetik macht Zellen und Organismen unterschiedlich, ohne dabei die Sequenz der DNA zu verändern. Das kann auch über Generationen hinweg festgeschrieben werden. Beteiligt daran sind hauptsächlich die mit der DNA assoziierten Proteine und diverse Arten von RNA.

STANDARD: Welche Funktionen haben solche Regelwerke?

Mittelsten Scheid: Epigenetische Regulationsmechanismen vergrößern das Repertoire von Zellen, ihre Genaktivität zu regeln, an veränderte Bedingungen anzupassen und diese Anpassungen festzuschreiben. Sie ermöglichen eine langfristige, aber trotzdem noch reversible Veränderung von Gen-Aktivität.

STANDARD: Gibt es solche Mechanismen auch bei Tieren und Menschen?

Mittelsten Scheid: Ja sicher. Höhere Pflanzen und Säugetiere haben auf der Ebene der Epigenetik sogar mehr gemeinsam als manche Tiergruppen untereinander. Deswegen eignen sich die Pflanzen auch hervorragend als experimentelle Organismen, weil sie methodische Ansätze erlauben, die man an Tieren nicht machen kann oder sollte.

STANDARD: Welcher Anteil des Stoffwechsels eines Lebewesens dürfte über Epigenetik gesteuert werden?

Mittelsten Scheid: Das kann man nicht genau abschätzen. Epigenetik ist extrem wichtig, steht aber mit der genetischen Ausstattung, der Stoffwechsellage und äußeren Einflüssen in einem komplexen Wechselspiel.

STANDARD: Manche Gewächse, wie zum Beispiel Kartoffel, Weizen oder Zuckerrohr, verfügen statt des üblichen doppelten Chromosomensatzes über eine vier-, sechs- oder gar achtfache Ausstattung. Wozu dient ein derart erweitertes Erbgut?

Mittelsten Scheid: Man weiß noch nicht genau, warum dies bei Pflanzen häufig vorkommt und so erfolgreich ist. Möglicherweise wird dadurch das Spektrum an genetischer Vielfalt innerhalb einer Art und damit die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen erhöht. Oft sind diese Pflanzen größer und kräftiger und wurden deshalb von Züchtern bevorzugt. Auch unter Pflanzen, die schnell neue Lebensräume erobern, befinden sich viele mit mehreren Chromosomensätzen.

STANDARD: Die Erforschung von Transposons, auch "springende Gene" genannt, gehört ebenfalls zu Ihrem Arbeitsgebiet. Solche DNA-Schnipsel gelten als eine Art genetische Parasiten. Warum?

Mittelsten Scheid: Diese Elemente haben es geschafft, sich in den Genomen von fast allen Organismen mithilfe von ganz raffinierten Strategien enorm auszubreiten. Auf der anderen Seite jedoch haben die Wirte ausgeklügelte Abwehrmechanismen entwickelt, diese Ausbreitung zu behindern, so dass es zu einem regelrechten Wettrüsten gekommen ist.

STANDARD: Wie stark verbreitet sind die "springenden Gene" denn tatsächlich?

Mittelsten Scheid: Im menschlichen Genom machen sie rund die Hälfte aus, bei Pflanzen können bis zu 80 Prozent der DNA im Zellkern aus Transposons bestehen, vielleicht sogar noch mehr. Aber nicht mehr alle Kopien können "springen".

STANDARD: Wie sind Transposons ursprünglich entstanden?

Mittelsten Scheid: Das weiß man nicht genau. Vermutlich sind einige aus Viren entstanden, wie auch Viren aus Transposons hervorgegangen sein könnten. Manche dieser Elemente sind stammesgeschichtlich sehr alt und entwickeln sich mit den Wirtsgenomen weiter. Einige findet man zum Beispiel bei allen Wirbeltieren, ob Fisch, Vogel oder Mensch.

STANDARD: Welche negativen Auswirkungen können Transposons haben?

Mittelsten Scheid: Schäden können dadurch entstehen, dass neue Transposon-Kopien in funktionelle Gene eingebaut werden und diese so zerstören. Sie können also Mutationen auslösen. Nicht jedes eingebaute Transposon muss allerdings Schäden verursachen. Die neuen Kopien können die Gen-Aktivität auch durchaus positiv beeinflussen, in dem sie neue Regulationselemente beitragen. Über deren Erfolg müssen dann Selektion und Evolution entscheiden.

STANDARD: Welche Möglichkeiten haben Lebewesen, um diese genetischen Freibeuter in Schach zu halten?

Mittelsten Scheid: Im Wesentlichen erfolgt die Abwehr dadurch, dass bereits vorhandene Transposon-Kopien in der DNA ganz eng verpackt werden. Dadurch werden sie an der Vermehrung und Verbreitung gehindert.

STANDARD: Und welche Rolle spielen Transposons aus Sicht der Evolutionsbiologie?

Mittelsten Scheid: Transposons dürften aufgrund ihrer großen Zahl und ihrer entsprechend dichten Verpackung die Architektur des Zellkerns prägen. Zweitens tragen sie durch ihre Beweglichkeit und Ausbreitung im Genom ganz erheblich zur genetischen Vielfalt bei. Und sie können benachbarte Gene in deren Aktivität beeinflussen. Solche zusätzlichen Varianten bilden eine Spielwiese für die Evolution. (Kurt de Swaaf, DER STANDARD, 16.4.2014)


Ortrun Mittelsten Scheid wurde 1957 in Düsseldorf geboren. Sie studierte Biologie an der Universität Hamburg und promovierte dort im Jahr 1985 zum Thema Biorhythmus bei einzelligen Algen. Nach mehreren Forschungsaufenthalten, unter anderem an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich und am Friedrich Miescher-Institut in Basel, wechselte die Wissenschafterin 2004 an das Gregor-Mendel-Institut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Wien und arbeitet dort seitdem als Forschungsgruppenleiterin.

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  • Die Ausbreitung des Genschnipsels "Onsen" (grün) in der Ackerschmalwand erfolgt unter Hitzestress - eine ausgeklügelte Strategie.
    foto: v. cavrak

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  • Ortrun Mittelsten Scheid: "Höhere Pflanzen und Säugetiere haben auf der Ebene der Epigenetik mehr gemeinsam als manche Tiergruppen."
    foto: privat

    Ortrun Mittelsten Scheid: "Höhere Pflanzen und Säugetiere haben auf der Ebene der Epigenetik mehr gemeinsam als manche Tiergruppen."

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