„Springende Gene“– DNA-Stücke, die sich von einer Stelle im Genom zu einer anderen bewegen können – sind bekannt dafür, dass sie die genetische Vielf alt im Laufe der Evolution erhöhen. Jetzt zeigen neue Forschungsergebnisse an der Washington University School of Medicine in St. Louis, dass solche Gene, auch transponierbare Elemente genannt, eine weitere, überraschendere Rolle spielen: die Stabilisierung der 3D-F altungsmuster des DNA-Moleküls im Zellkern.
Die Studie erscheint am 24. Januar in der Zeitschrift Genome Biology.
Das DNA-Molekül im Kern jeder menschlichen Zelle ist mehr als zwei Meter lang. Um in einen so kleinen Raum zu passen, muss es sich in präzise Schleifen f alten, die auch bestimmen, wie Gene ein- oder ausgesch altet werden. Es mag widersprüchlich erscheinen, dass DNA-Stücke, die sich zufällig im Genom bewegen, diesen F altungsmustern Stabilität verleihen können. Tatsächlich widerspricht die Entdeckung einer lang gehegten Annahme, dass die genaue Reihenfolge der Buchstaben in der DNA-Sequenz immer die breitere Struktur des DNA-Moleküls diktiert.
"An Orten, an denen die größere 3D-F altung des Genoms bei Mäusen und Menschen gleich ist, erwartet man, dass die Sequenz der Buchstaben der DNA, die diese Form verankert, auch dort konserviert wird", sagte Seniorautor Ting Wang, PhD, Sanford C. und Karen P. Loewentheil Distinguished Professor of Medicine. „Aber das haben wir nicht gefunden, zumindest nicht in den Teilen des Genoms, die in der Vergangenheit ‚Junk-DNA‘genannt wurden.'"
Bei der Untersuchung der DNA-F altung in Blutzellen von Mäusen und Menschen fanden die Forscher heraus, dass in vielen Regionen, in denen die F altungsmuster der DNA durch die Evolution konserviert wurden, die genetische Sequenz der DNA-Buchstaben, die diese F altungen bilden, dies nicht ist. Es ist immer so leicht verschoben. Aber diese wechselnde Sequenz, ein genetischer Turnover, verursacht keine Probleme. Da die Struktur weitgehend gleich bleibt, ändert sich vermutlich auch die Funktion, es ändert sich also nichts Wesentliches.
"Wir waren überrascht, dass einige junge transponierbare Elemente dazu dienen, alte Strukturen aufrechtzuerh alten", sagte Erstautor Mayank N. K. Choudhary, ein Doktorand in Wangs Labor. „Die spezifische Sequenz mag unterschiedlich sein, aber die Funktion bleibt dieselbe. Und wir sehen, dass dies in den letzten 80 Millionen Jahren mehrere Male passiert ist, als sich die gemeinsamen Vorfahren von Mäusen und Menschen zum ersten Mal voneinander unterschieden.“
Die Tatsache, dass ein neues transponierbares Element sich selbst einfügen und die gleiche Rolle wie ein bestehender Anker erfüllen kann, schafft eine Redundanz in den regulatorischen Teilen des Genoms – Regionen des DNA-Moleküls, die bestimmen, wie und wann Gene angesch altet werden aus.
Laut den Forschern macht diese Redundanz das Genom widerstandsfähiger. Indem sie sowohl Neuheit als auch Stabilität bieten, können springende Gene dem Säugetiergenom helfen, ein lebenswichtiges Gleichgewicht herzustellen – indem sie Tieren die Flexibilität geben, sich beispielsweise an ein sich änderndes Klima anzupassen, während sie gleichzeitig die für das Leben erforderlichen biologischen Funktionen erh alten und vor den dadurch verursachten DNA-Schäden schützen Leben und Fortpflanzung auf der Erde über die Spanne der tiefen Zeit, gemessen in Zehn- bis Hundertmillionen von Jahren.
Trotzdem achteten die Forscher darauf, zwischen Teilen des Genoms, die Gene enth alten, die für die Produktion von Proteinen verantwortlich sind, und dem Rest des Genoms zu unterscheiden. Bei Genen, die für Proteine kodieren, sind sowohl die genetische Sequenz als auch die Struktur konserviert, und diese Studie widerspricht dem nicht. Die neue Forschung deutet jedoch darauf hin, dass springende Gene in den Nicht-Protein-kodierenden Bereichen des Genoms anderen Konservierungsregeln folgen als die Protein-kodierenden Gene.
"Unsere Studie ändert, wie wir die genetische Variation in den nichtkodierenden Regionen der DNA interpretieren", sagte Wang.„Zum Beispiel haben große Untersuchungen von Genomen vieler Menschen viele Variationen in nicht codierenden Regionen identifiziert, die scheinbar keine Auswirkungen auf die Genregulation haben, was rätselhaft war. Aber angesichts unseres neuen Verständnisses von macht es mehr Sinn transponierbare Elemente - die lokale Reihenfolge kann sich zwar ändern, aber die Funktion bleibt gleich.
"Wir müssen diese Art von Studien angesichts des neuen Verständnisses, das wir jetzt über transponierbare Elemente haben, möglicherweise noch einmal überprüfen", fügte er hinzu. "Wir haben eine weitere Komplexitätsebene in der Genomsequenz aufgedeckt, die vorher nicht bekannt war."
