Um das Genom zu verteidigen, zerstören diese Zellen ihre eigene DNA | Quanta-Magazin

Marie Delattre untersuchte die sexuelle Fortpflanzung mikroskopisch kleiner Würmer, als ihr etwas Unerwartetes auffiel. Unter dem Mikroskop ein Embryo des Fadenwurms Mesorhabditis belari teilte sich wie es sollte, von einer Zelle über zwei auf vier. Aber in einigen Zellen sah sie einen unerklärlichen Sprühnebel aus DNA-Fragmenten, die dort herumschwebten, wo sie nicht hingehören.

„Überall war DNA, innerhalb und außerhalb der Kerne – große DNA-Blöcke“, sagte sie. „Ich dachte, es wäre ein toter Embryo.“

Der Embryo war nicht tot, aber er tat etwas, was normalerweise nur tote Zellen tun: die Zerstörung seines Genoms. „Ich begann zu verfolgen, wann diese Fragmente auftauchen, in welchem ​​Stadium und wie sie aussehen“, sagte er Delattre, Zellbiologe an der École Normale Supérieure in Lyon. „So habe ich herausgefunden, dass das kein Zufall ist. Das haben alle Embryonen getan.“

Worüber Delattre gestolpert war und was sie und ihr Labor in einem im August veröffentlichten Artikel beschrieben Current Biologywar ein Fall der programmierten DNA-Eliminierung (PDE), bei der Organismen scheinbar gezielt Teile ihres Genoms eliminieren. Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das im Widerspruch zu dem Grundsatz steht, dass ein Genom eine lebenswichtige, unantastbare Ressource ist, die treu an die nächste Generation weitergegeben werden muss.

Bisher haben Forscher PDE nur bei etwa 100 Arten in allen Lebenszweigen festgestellt: Einzellige Ciliaten mit mehreren Kernen weisen PDE auf; Das gilt auch für winzige Würmer, aber auch für meterlange Darmparasiten von Pferden, vielen Insekten und sogar Singvögeln. Aber PDE kann so schwer zu erkennen sein, dass niemand weiß, wie häufig sie tatsächlich vorkommt. „Es ist selbst unter Biologen nicht sehr bekannt“, sagte Delattre.

Delattres neues Papier bestätigt nicht nur die Existenz eines weiteren PDE-Falls, sondern weist auch auf eine Erklärung dafür hin. PDE weist auf einen langjährigen Kampf zwischen Zellen und DNA-Sequenzen hin, die für ihren Besitzer keinen Nutzen haben oder ihn vielleicht sogar belasten. Wie Gärtner müssen Zellen ihre Genome schützen, um funktionsfähig und produktiv zu bleiben. Was soll eine Zelle tun, wenn das Unkraut eindringt? Die neue Studie legt nahe, dass einige Arten mögen M. Belari, könnte einfach das Unkraut mit PDE ausreißen.

Trotz ihrer scheinbaren Neuheit wurde PDE in den frühen Tagen der Molekularbiologie entdeckt, lange bevor Forscher überhaupt wussten, dass DNA das genetische Material des Lebens ist. Im Jahr 1887 untersuchte der deutsche Biologe Theodor Boveri die Entwicklung von Parascaris, einem Nematoden, der Pferde parasitiert, als er beobachtete, wie sein großes Genom während der Mitose zusammenwuchs, fragmentierte und sich dann wieder in kleinere Teile zusammenfügte. Die fehlenden Teile wurden scheinbar ohne Umschweife weggeworfen.

Im 20. Jahrhundert entdeckten Forscher nur eine Handvoll anderer Organismen – Ciliaten, Motten, Ruderfußkrebse, Beuteldachstiere –, die an PDE beteiligt waren, und es blieb ein Randkonzept. Aber warum eine dieser Arten dies tat, blieb unklar.

Um herauszufinden, was vor sich ging, untersuchte Delattres Labor die DNA eines erwachsenen Wurms. Die Forscher verglichen die Genome von M. BelariDie Keimbahnzellen des Wurms – die spezialisierten Fortpflanzungszellen wie Spermien und Eier – mit den Genomen der somatischen (nicht fortpflanzungsfähigen) Zellen des Wurms. Den somatischen Genomen fehlten lange Sequenzfolgen, die in Keimbahngenomen vorhanden waren. Irgendwann zwischen dem Wachstum des Embryos von sieben auf 32 Zellen waren große DNA-Stücke verschwunden.

Anschließend beobachteten die Wissenschaftler die Entwicklung der Nematodenembryonen unter dem Mikroskop. Während die Zellen wuchsen und ihre Genome replizierten, zerlegten sie 20 Chromosomen in Fragmente und setzten sie dann wieder zu 40 Miniaturchromosomen zusammen. Die meisten Fragmente fügten sich in diesem neuen, kleineren Genom wieder zusammen – ein erheblicher Teil wurde jedoch weggelassen.

Insgesamt hat der Fadenwurm satte ein Drittel seines Genoms gelöscht. Die gelöschten Sequenzen wurden nicht zufällig ausgewählt. Es gab ein Muster: Es handelte sich größtenteils um stark repetitive DNA-Abschnitte, die überhaupt nicht für Gene kodierten, fand Delattre heraus.

Ähnliche Abschnitte sich wiederholender oder nichtkodierender Sequenzen packen die Genome eukaryontischer Zellen. Einige führen notwendige Funktionen aus. Satelliten-DNA beispielsweise bildet Strukturen wie Heterochromatin und Zentromere, die die DNA verpacken, während andere repetitive Abschnitte die Genexpression regulieren. Einige wiederholte Sequenzen tragen jedoch nicht zum Überleben ihres Wirts bei – und können es sogar beeinträchtigen.

Zu dieser Gruppe gehören Transposons, selbstreplizierende DNA-Sequenzen, die die Maschinerie der Zelle stehlen, um sich selbst zu Tausenden oder Millionen zu kopieren. Dies kommt einem molekularen Großdiebstahl gleich und ist außerdem eine Verschwendung von Zeit und Energie, die die Zelle aufwenden muss, um diese Sequenzen zu unterdrücken. Zellen dämmen Transposonen routinemäßig mit epigenetischen Markierungen ein, die sie zum Schweigen bringen, oder indem sie ihre RNA abfangen und zerstören. Aber einige Arten, wie z M. Belari, kann sie vollständig durch PDE entfernen.

Das ist es, was Delattre vermutet, dass ihre Nematoden das tun. Jonathan Wells, ein Evolutionsgenetiker an der Cornell University, der Transposons untersucht und nicht an der neuen Studie beteiligt war, stimmt zu, dass die DNA-Parasiten ein wahrscheinliches Ziel sind. Für die Verwaltung von Transposons gilt: „Je genauer man hinschaut, desto mehr Systeme gibt es“, sagte er.

Allerdings sind Transposons und andere Arten selbstreplizierender DNA nicht unbedingt Bösewichte. Indem sie sich wiederholt im Genom kopieren, versorgen Transposons die Zelle auch mit frisches Material die mutieren und sich zu neuen Genen entwickeln können. Wirtszellen frei und großzügig Nehmen Sie genetische Sequenzen aus parasitärer DNA und stellen sie her Teil des normalen Genoms – oder anders ausgedrückt: Die Parasiten schmeicheln ihren Wirten so weit, dass sie adoptiert werden. „[Repetitive DNA-Elemente] sind der Boden, auf dem alle anderen Gene sitzen“, sagte Wells. „Sie sind eine reiche Quelle für Neuheiten.“

Da Transposons sowohl schädlich als auch hilfreich sein können, könnte PDE neben ihrer Bekämpfung auch einen Nutzen haben. Selbst Delattre ist nicht davon überzeugt, dass Transposons die ganze Geschichte sind. Obwohl die sich wiederholende DNA das M. Belari gelöscht wurde, war schädlich. „Warum sollte man [parasitäre DNA] nur in somatischen Zellen und nicht in der Keimbahn entfernen?“ Sie fragte.

Neben der Bekämpfung von Parasiten kann PDE den Zellen dabei helfen, ihre Genome zu rationalisieren, während sie verschiedene Lebensstadien durchlaufen. Viele Gene, die für die Embryonalentwicklung eines Organismus von entscheidender Bedeutung sind, sind im Reifestadium unnötig. Wenn eine Zelle diese Gene loswerden kann, warum sollte sie das nicht aus Effizienzgründen tun? Ein größeres Genom ist schwieriger zu kopieren und zu erhalten, und die unangemessene Expression von Entwicklungsgenen könnte zu Problemen führen. In somatischen Zellen, die nicht wie Keimbahnzellen ein vollständiges Genom an die Nachkommen weitergeben müssen, könnte die Entfernung unwesentlicher Elemente eine erfolgreiche Evolutionsstrategie sein.

Niemand weiß genau, warum PDE auftritt. Da es wenig erforscht ist und vielen tief verwurzelten genetischen Konzepten widerspricht (ein PapierIn der Beschreibung, wie manche Singvögel ein ganzes Chromosom eliminieren, nennt man diese Deletionen „Mendelsche Albträume“), könnte fast jede Hypothese Bestand haben.

Das sei ein Grund mehr für Biologen, ihre Suche danach auszuweiten, sagte Delattre: „Wenn es bei anderen Arten vorkommt, die wir nicht kennen, müssen wir danach suchen.“ Durch ein besseres Verständnis darüber, wer PDE nutzt, können Wissenschaftler besser verstehen, warum manche Organismen so drastische und potenziell riskante Maßnahmen ergreifen, um ihr Genom zu verwalten. „Ich denke, es ist eine gute Wette, dass PDE weiter verbreitet ist, als wir wissen“, sagte Wells.