Springende Gene liefern umfangreiches „Rohmaterial“ für die Evolution

Mithilfe der Hochdurchsatzsequenzierung zur Kartierung der Standorte einer häufigen Art von springenden Genen im gesamten Genom einer Person stellten Forscher der University of Pennsylvania School of Medicine bei den von ihnen untersuchten Personen erhebliche Unterschiede an diesen Standorten fest, was die Rolle dieser fehlerhaften Gene weiter unterstreicht Gene bei der Erhaltung der genetischen Vielfalt. Die Forscher stellten fest, dass sich die Genome zweier Völker an etwa 285 der 1139 untersuchten Standorte unterscheiden. Diese Ergebnisse wurden durch Scannen der Genome von 25 Individuen gefunden, von denen 15 nicht verwandt waren. Sie berichten online über ihre Ergebnisse in Genome Research. Springende Gene – auch Transposons genannt – sind DNA-Sequenzen, die sich in verschiedene Bereiche des Genoms innerhalb derselben Zelle bewegen. „Die Bedeutung dieser Arbeit besteht darin, dass es in unserem Genom aufgrund der Insertionen dieser Transposonfamilie viel mehr Diversität gibt als bisher angenommen“, sagte Co-Autor Haig Kazazian, MD, Seymour Gray-Professor für Molekulare Medizin, im Penn Abteilung für Genetik. „Diese Bewegung des genetischen Materials liefert das Rohmaterial der genetischen Evolution und berücksichtigt nicht die Insertionen, von denen wir glauben, dass sie außerhalb der in diesem Projekt untersuchten Spermien und Eizellen stattfinden.“ Transposons sind eine Quelle der inneren Vielfalt Genpool einer Art, mit Auswirkungen auf vielen Ebenen. Beispielsweise helfen geringfügige Veränderungen in den Genen Organismen, sich an neue Umgebungen anzupassen und in ihnen zu überleben, und Populationen mit genetischer Vielfalt sind weniger anfällig für Krankheiten und Probleme bei der Fortpflanzung. Auch Insertionen an bestimmten Stellen im Genom können zu Störungen der Zellfunktion führen. Daher ist das Verständnis ihrer Platzierung und Variation im menschlichen Genom für ein grundlegendes Verständnis von Krankheiten wichtig. Insertionen können viele genetische Krankheiten wie Hämophilie und Duchenne-Muskeldystrophie verursachen und möglicherweise eine Rolle bei der Entstehung von Krebs spielen. Retrotransposons sind die Hauptklasse der springenden Gene, wobei die L1-Familie der am häufigsten vorkommende Retrotransposontyp im menschlichen Genom ist. L1s machen etwa 17 Prozent des menschlichen Genoms aus und waren Gegenstand der Arbeit von Genome Research. Schließlich vergrößert das kontinuierliche Springen durch Retrotransposons die Größe des menschlichen Genoms und kann zu einer Verschiebung des genetischen Inhalts führen. Wenn beispielsweise Retrotransposons springen, können sie Teile benachbarter Gensequenzen mitnehmen, diese dort einfügen, wo sie landen, und so die Entstehung neuer Gene ermöglichen. Selbst ansonsten unauffällige Insertionen von L1s können erhebliche Auswirkungen auf benachbarte Gene haben, beispielsweise eine Verringerung ihrer Expression. Retrotransposons bewegen sich, indem ihre DNA-Sequenz transkribiert oder in RNA kopiert wird. Anschließend wird der genetische Code nicht direkt in eine Proteinsequenz übersetzt, sondern die RNA wird durch das Enzym des Retrotransposons, das Reverse Transkriptase genannt wird, zurück in die DNA kopiert. Diese neue DNA wird dann wieder in das Genom eingefügt. Der Kopiervorgang ähnelt dem von Retroviren wie HIV, was Wissenschaftler zu der Vermutung veranlasst, dass Retroviren von Retrotransposons abgeleitet seien. Das Team fand außerdem heraus, dass durchschnittlich 1 von 140 Personen von ihren Eltern eine neue L1-Insertion erhalten hat. Wenn alle Retrotransposon-Insertionen, einschließlich L1 und andere, berücksichtigt werden, hat etwa eine von 40 Personen eine neue Insertion von ihren Eltern erhalten. In der aktuellen Studie wurden Einfügungen in die erbliche Keimzelllinie, also in Ei- und Samenzellen, gezählt. „Das eigentliche Problem im Raum ist die Frage nach der Häufigkeit somatischer Einfügungen, Einfügungen in Zellen, die keine Eier oder Spermien sind“, sagt Kazazian. „Wir wissen noch nicht, wie häufig diese somatischen Insertionen auftreten.“ Da die in dieser und ähnlichen Studien entdeckten Insertionen bei einigen Personen und bei anderen nicht vorhanden sind, besteht die Möglichkeit eines Zusammenhangs mit einer genetischen Erkrankung. Zukünftige Studien im kasachischen Labor, die durch ein ARRA-Konjunkturstipendium der National Institutes of Health finanziert werden, werden Techniken entwickeln, um solche Zusammenhänge aufzudecken, indem diese Retrotransposon-Insertionen als genetische Marker verwendet werden. Adam Ewing, ein Doktorand im Kazazian-Labor, ist der andere Co-Autor des Artikels. Die Arbeit wurde von den National Institutes for General Medical Sciences finanziert.