Denkanstoß zur Evolutionstheorie Die Evolution spielt mit gezinkten Würfeln

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Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Zufällige Mutationen gelten als Treiber der Evolution. Doch nun haben Forscher in Pflanzen entdeckt, dass die Mutationen nicht so zufällig auftreten, wie erwartet. Die Ergebnisse werfen neues Licht auf Darwins Evolutionstheorie und könnten Fortschritte in der Pflanzenzucht oder bei der Vorhersage von Erbkrankheiten bringen.

Tübingen – Mutationen sind ein natürlicher Teil des Lebens. Sie entstehen, wenn die DNA von Organismen beschädigt und nicht richtig repariert wird. Über Vererbung können solche Veränderungen im Erbgut weitergegeben werden und sich ggf. als neuer Standard etablieren. Dies ist zumindest eine zentrale Annahme von Charles Darwins Theorie der Evolution. Sie besagt, dass Mutationen rein zufällig entstehen und dass nur die natürliche Auslese („Survival of the fittest“) bestimmt, welche Gene sich im Laufe der Evolution schneller und welche langsamer verändern. Neue Studienergebnisse einer Gruppe des Max-Planck-Instituts für Biologie und der amerikanischen University of California Davis stellen nun aber die reine Zufälligkeit von Mutationen in Frage.

„Wir dachten immer, dass es keine Unterschiede gibt, wo Mutationen im Erbgut auftreten“, sagt Grey Monroe, Assistenzprofessor am Department of Plant Sciences der UC Davis und Erstautor der Studie. „Jetzt stellt sich heraus, dass das Mutationsmuster gar nicht so willkürlich ist, sondern dass es auch in einer Weise variiert, die der Pflanze zugutekommt“.

Gezielte Evolution statt purer Zufall?

Die Forscher züchteten Exemplare des weit verbreiteten Unkrauts Arabidopsis thaliana in einer optimalen Laborumgebung, in der sich alle Pflanzen vermehren konnten, auch solche mit schädlichen Mutationen. Derartige schädliche Mutationen würden normalerweise durch den Selektionsdruck in der Natur schnell wieder verschwinden und es wäre schwierig, sie nachzuweisen. Durch Analyse der Genome Hunderter im Labor gezüchteter Pflanzen erwischten die Forscher aber Tausende von Mutationen sozusagen in flagranti. Statistische Analysen zeigten, dass diese Mutationen keineswegs zufällig im Genom verteilt waren, wie die Forscher erwartet hatten. Stattdessen gibt es Abschnitte des Genoms, in denen Mutationen selten waren, und andere Regionen, in denen Mutationen viel häufiger vorkamen.

Mutationsraten steuern

Evolutionsturbo? Proteine beeinflussen Mutationen im Erbgut

Bei der Suche nach einer möglichen Erklärung für diese unterschiedliche Mutationsanfälligkeit, fiel den Biologen etwas auf: In den Abschnitten mit wenigen Mutationen waren Gene gehäuft, die in jeder Zelle benötigt werden und somit für das Überleben jeder Pflanze wichtig sind. „Das sind die Regionen des Genoms, die am empfindlichsten auf die schädlichen Auswirkungen neuer Mutationen reagieren“, sagt Prof. Dr. Detlef Weigel, wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Biologie und Hauptautor der Studie. „Die DNA-Reparatur scheint daher in diesen Regionen besonders effektiv zu sein.“ Es ist, als würde die Evolution mit gezinkten Würfeln spielen – sie minimiert das Risiko, dass die wichtigsten Gene geschädigt werden. Die Frage war nun: Wie funktioniert das?

Wie beeinflussen Pflanzen „zufällige“ Mutationen?

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die verschiedenen Arten von Proteinen, um die die DNA im Zellkern gewickelt ist, in hohem Maße mit dem Auftreten von Mutationen korrelierten. „Das gibt uns eine gute Vorstellung von dem verantwortlichen Mechanismus, sodass wir vorhersagen können, welche Gene mit größerer Wahrscheinlichkeit mutieren werden als andere“, sagt Erstautor Monroe.

Forschungsleiter Weigel ordnet die Studienergebnisse ein: „Es ist seit langem bekannt, dass im Laufe der Evolution in bestimmten Regionen des Genoms viel mehr Mutationen toleriert werden als in anderen Regionen.“ In Wissenschaftskreisen sei man weitgehend einig darüber, dass dies nur die natürliche Auslese widerspiegelt, die die meisten Mutationen entfernt, bevor sie tatsächlich beobachtet werden können. „Auf den ersten Blick schien das, was wir gefunden haben, dieser akzeptierten Weisheit zu widersprechen.“ Schließlich hatten die Experimente gezeigt, dass die Mutationen in einem typischen Genom sehr ungleichmäßig verteilt sind. Doch auch die für die Pflanze wichtigen Regionen waren nicht völlig frei von Mutationen, wie Weigel betont. Diese Regionen können sich daher ebenfalls durch Evolution verändern, wenn auch langsamer als andere Teile des Erbguts.

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Anwendungspotenzial für Pflanzenzucht und Medizin

„Die Pflanze hat einen Mechanismus entwickelt, um ihre wichtigsten Gene vor Mutationen zu schützen“, sagt Monroe. „Das ist spannend, denn wir könnten diese Entdeckungen vielleicht nutzen, um darüber nachzudenken, wie man menschliche Gene vor Mutationen schützen kann.“ Dem Forscher zufolge ruht hier großes Anwendungspotenzial. Man könne in Zukunft vielleicht vorhersagen, welche Gene am besten für die Züchtung geeignet sind, weil dort neue Mutationen besonders wahrscheinlich sind. Auch seien Modelle denkbar, mit denen sich abschätzen lässt, welche Gene beim Menschen am ehesten Krankheiten verursachen.

Originalpublikation: Edit J. Grey Monroe, Thanvi Srikant, Pablo Carbonell-Bejerano, Moises Exposito-Alonso, Mao-Lun Weng, Matthew T. Rutter, Charles B. Fenster, Detlef Weigel: Adaptive mutation bias in Arabidopsis thaliana, Nature (2022); DOI: 10.1038/s41586-021-04269-6

* Dr. S. Jahns, Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, 72076 Tübingen

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