Genomparasiten und ihre Rolle in der Evolution des Allerkleinsten

Ein neues Licht auf die Evolution auf molekularer Ebene werfen Forschungsarbeiten des Instituts für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA). Doktorand Jakob Schnabl, der aus Steyr stammt, ist daran beteiligt. Gleich zwei IMBA-Studien erschienen diese Woche in angesehenen Fachmagazinen.

Wäre unsere DNA ein Buch, so hätte es eine Million Seiten mit drei Milliarden Buchstaben. Nur rund fünf Prozent davon sind bekannte Gene mit der Gebrauchsanleitung für Proteine. Mehr als die Hälfte des menschlichen Genmaterials stammt ursprünglich von Genomparasiten, die sich im Laufe der Evolution in unserem Erbgut angesammelt haben. Diese egoistischen Gene kümmern sich nur um ihre eigene Vervielfältigung. Verstreut in den Genomen von Pflanzen, Pilzen und Tieren, können diese genetischen Parasiten von einer Position in der DNA zur anderen springen. Damit schaffen sie zwar genetische Vielfalt, was bei evolutiven Anpassungsprozessen wichtig ist. In den meisten Fällen richten die springenden Genomparasiten jedoch großen Schaden für den Organismus an und können mitunter zur Unfruchtbarkeit führen.

Wie sich das Genom schützt

Durch gezieltes Stilllegen egoistischer Genpassagen schützt sich unser Genom. Winzig kleine Ribonukleinsäuren (piRNAs) funktionieren wie eine Art Immunsystem. Die Herstellung der piRNAs findet im Zellkern und im Zellplasma statt. Bei der Ausreise ins Zellplasma würden piRNAs aber bei der molekularen Passkontrolle hängen bleiben. Sie umschiffen den Security-Check, indem sie die üblichen Routen umgehen und sich schmuggeln lassen.

Dabei hilft ihnen ein Protein namens Nxf3. Es stammt aus derselben Proteinfamilie wie Nxf1, das für den normalen RNA-Export zuständig ist. Nxf3 aber hat damit eine komplett neue Funktion übernommen, wie die Forschungsgruppe rund um Julius Brennecke aktuell im Fachmagazin Cell berichtet.

"Dabei werden vorschriftsmäßige Wege umgangen und neue, epigenetisch gesteuerte Routen erschlossen. Interessant dabei ist, dass sich die Zelle dabei bereits vorhandener Bausteine bedient, um neue Signalwege zu bauen", so Peter Andersen, Erstautor der Publikation, der diesen Mechanismus gerne mit den bekannten IKEA-Hacks vergleicht; also alternativen Nutzungsformen des Vorhandenen.

Generell werden in der Natur vorhandene Strukturen umfunktioniert. "Es ist das erste Mal, dass gezeigt werden konnte, dass ein RNA-Export-Protein eine unterschiedliche Aufgabe im Gegensatz zu seiner ursprünglichen Funktion übernimmt", erklärt Jakob Schnabl. "Wir konnten nachweisen, dass der piRNA-Export in der Zelle auf einer neu erschlossenen Route funktioniert", sagt Forschungsgruppen-Leiter Julius Brennecke.

Fazit: Bildung neuer Arten passiert auch auf molekularer Ebene.

Die Entdeckung der DNA

Eigentlich wollte er Eiweiße in Blutzellen untersuchen. Dabei entdeckte der Schweizer Wissenschafter Friedrich Miescher (1844–1895) vor 150 Jahren die DNA. Da die Substanz offenbar nur im Zellkern vorkam, nannte er sie nach dem lateinischen Wort für „Kern“ (nucleus) Nuclein. Der Name klingt heute noch in der chemischen Bezeichnung „Desoxyribonukleinsäure“ (kurz DNS, oder englisch DNA) nach. Die RNA (Ribonukleinsäure) übersetzt die genetische Information in Proteine.