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Kryptische Genvariation

Evolution auf Vorrat hilft Bakterien

| Redakteur: Christian Lüttmann

Bei der Evolution von Arten ist es vorteilhaft, sich möglichst schnell an neue Umweltbedingungen anzupassen. Deshalb profitieren Bakterien davon, versteckte genetische Varianten anzusammeln, die sie dann bei Bedarf zu außergewöhnlichen Evolutionssprüngen befähigen. Welche Mechanismen dieser „Evolution auf Vorrat“ zugrunde liegen, haben nun Forscher der Universität Zürich untersucht.

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Versteckte Mutationen im Genom können später größere Evolutionssprünge ermöglichen (Symbolbild).
Versteckte Mutationen im Genom können später größere Evolutionssprünge ermöglichen (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, PublicDomainPictures / Pixabay)

Zürich/Schweiz – Genetische Variation ist die Triebkraft für alle evolutionären Veränderungen. Je vielfältiger die angesammelten Mutationen in der DNA einer Population von Lebewesen sind, desto mehr Möglichkeiten stehen ihnen zur Verfügung, um sich an Umweltveränderungen anzupassen – und desto schneller funktioniert die Evolution. Es gibt aber eine Art von Genvariation, die weder das Aussehen noch das Verhalten eines Organismus verändert. Man nennt sie versteckt oder „kryptisch“.

„Die kryptische Variation ist eine unterschätzte Art und sie spielt eine wichtige Rolle in der Evolution“, sagt Andreas Wagner, Evolutionsbiologe an der Universität Zürich (UZH) und External Professor am Santa Fe Institute. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die kryptische Variation in natürlichen Populationen eine schnelle evolutionäre Anpassung fördert. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen waren bisher jedoch unklar. Um diese zu erforschen, untersuchte Wagners Team Populationen des menschlichen Darmbakteriums Escherichia coli, die ein Gen für ein gelb fluoreszierendes Protein (YFP) in sich trugen.

Erst versteckte Genvariationen…

Für ihre Studie haben die Wissenschaftler ein zweistufiges Experiment entworfen: In der ersten Stufe verwendeten sie ein Verfahren, das Mutationen hervorruft, um die genetische Variation im YFP-Gen zu erhöhen. Für die anschließende Selektion wählten sie einen engen Bereich der gelben Fluoreszenz. Alle Bakterien, die nicht ausreichend gelb waren, wurden ausgeschlossen – ein Prozess namens „stabilisierende Selektion“. Auf diese Weise bauten sie im bakteriellen Erbmaterial Ansammlungen an kryptischen genetischen Variationen auf, ohne die gelbe Farbe des YFP-Proteins zu verändern.

…dann gerichtete Selektion

In der zweiten Phase änderte das Team die Selektionsregeln. Nun wählten sie jene E. coli aus, deren YFP-Protein im grünen Teil des Spektrums fluoresziert – „gerichtete Selektion“ genannt. Als Kontrolle verwendeten sie Bakterienpopulationen ohne erhöhte kryptische Variation im YFP-Gen.

Das Ergebnis des Vergleichtests: Jene Zelllinien mit einem Reservoir an kryptischer Variation entwickelten grün fluoreszierendes Protein, das sowohl grüner als auch genetisch vielfältiger war als jedes andere, das von den Kontrollpopulationen produziert wurde.

„In unserem Experiment hat die kryptische Variation mehr bewirkt, als die evolutionäre Anpassung schneller voranzutreiben“, sagt Mitautor Joshua Payne von der ETH Zürich. Zelllinien mit großen Reserven an kryptischen Variationen entwickelten grünere YFP-Proteine – darunter auch Formen des Proteins, die für normale Bakterien unzugänglich waren. Und diese entwickelten sich auf mehreren einzigartigen Wegen, die normalen E. coli nicht zur Verfügung stehen.

Speicher für Evolution

Die heutigen Methoden, um Evolutionsprozesse im Labor zu steuern, führen oft zu den immer gleichen evolutionären Ergebnissen. Mit der kryptischen Variation kommen aber auch Mutationen zustande, die für sich genommen keinen Vorteil oder sogar einen Nachteil bringen – in Kombination mit neuen Mutationen aber doch Vorteile bieten. „Dabei werden die Beschränkungen, wie sie während genetischer Anpassungen normalerweise auftreten, aufgehoben“, sagt Erstautor und UZH-Forscher Jia Zheng. „Es öffnen sich Türen, um für Varianten eines Proteins zu selektieren, die ansonsten nur selten auftreten würden.“

Die kryptische Variation hilft etwa Fischen in der Wildnis, sich an das Leben in Höhlen anzupassen. Es ist ein Speicher an potenziellen Anpassungsmöglichkeiten, der im Notfall verfügbar wird und eine schnelle evolutionäre Veränderung ermöglicht. Im Labor könnte die kryptische Variation genutzt werden, um ein Biomolekül so zu verändern, dass es an einen neuen Rezeptor bindet. „Unsere Arbeit kann helfen, gezielte Evolutionsstrategien zu entwickeln, um Biomoleküle für biotechnologische und medizinische Anwendungen zu finden“, ergänzt Zheng. In der Natur ist sie für das Überleben einer Population entscheidend, im Labor kann sie zum nützlichen Instrument für Molekularbiologen werden.

Originalpublikation: Jia Zheng, Joshua L. Payne, Andreas Wagner: Cryptic genetic variation accelerates evolution by opening access to diverse adaptive peaks, Science 26 Jul 2019, Vol. 365, Issue 6451, pp. 347-353; DOI: 10.1038/s41559-019-0939-6

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