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Schließt „Undenkbares“ grundlegende Wissenslücke? Spontane Geburt: In uns entstehen permanent Gene „aus dem Nichts“

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Neues entsteht durch die schrittweise Veränderung von Bewährtem: Kleine genetische Veränderungen, Punktmutationen genannt, gelten als ein wesentlicher Treiber der Evolution. So haben es die meisten Menschen in der Schule gelernt. Problem – die Entstehung grundlegend neuer Eigenschaften eines Organismus lässt sich auf diese Weise nicht erklären. Nun haben Forscher festgestellt: Ob im Menschen, in der Maus, in der Ratte oder im Opossum: Vorläufer von Genen entstehen permanent „aus dem Nichts“. Die meisten davon verschwinden wieder – aber nicht alle.

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Vorläufer von Genen entstehen offenbar permanent „aus dem Nichts“ und verschwinden meist wieder – jedoch nicht immer. Letzteres könnte erklären, wie grundlegend neue Eigenschaften in einem Organismus entstehen können. (Symbolbild)
Vorläufer von Genen entstehen offenbar permanent „aus dem Nichts“ und verschwinden meist wieder – jedoch nicht immer. Letzteres könnte erklären, wie grundlegend neue Eigenschaften in einem Organismus entstehen können. (Symbolbild)
(Bild: gemeinfrei)

Münster – Kleine genetische Veränderungen, Punktmutationen genannt, gelten als ein wesentlicher Treiber der Evolution. So die gängige Lehrmeinung. Im Laufe der Generationen treten diese Mutationen in den Kopien der bewährten Gene auf und bringen möglicherweise nützliche neue Eigenschaften mit sich. Dies ist ein langer Prozess, der in vielen kleinen Schritten erfolgt.

Dass vollständige neue Gene und somit neue Eigenschaften quasi aus dem Nichts entstehen, galt jahrzehntelang als undenkbar. Erst Studien der jüngsten Zeit gaben vermehrt Hinweise darauf, dass sich neue Gene auch „aus dem Nichts“ in der sogenannten nicht-codierenden DNA bilden, also in dem Teil des Erbguts, der keine Proteine erzeugt. Eine neue Arbeit untersucht nun erstmals auch die frühesten Stadien der Entstehung dieser „Gene aus dem Nichts“ – ihre Geburtsstunde gewissermaßen..

Bioinformatiker untersuchen die Geburtsstunde neuer Gene

Die Bioinformatiker um Prof. Dr. Erich Bornberg-Bauer vom Institut für Evolution und Biodiversität der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) verglichen dazu mit Computeranalysen Anzahl, Länge, Position und Zusammensetzung (Nukleotid-Sequenz) von „Genen aus dem Nichts“ beim Menschen mit denen von vier anderen Säugetier-Arten: Maus, Ratte, Kängururatte und Opossum. Letzteres gehört zu den Beuteltieren, deren Evolutionslinie sich früh von dem Zweig der Höheren Säugetiere abgespalten hat. Durch diesen Vergleich warfen die Forscher Schlaglichter auf 160 Millionen Jahre Evolution der Säugetiere. Die Wissenschaftler nahmen dabei DNA-Transkripte unter die Lupe, also solche DNA-Abschnitte, die aktiv sind und als RNA-Kopie vorliegen. Genauer gesagt untersuchten die Forscher die Transkripte sogenannter offener Leserahmen. Diese Sequenzen dienen häufig als Bauanleitungen für Proteine.

Vorläufer von Genen entstehen permanent „aus dem Nichts“ – und verschwinden meist wieder

„Unsere Studie zeigt: Neue offene Leserahmen, also die Kandidaten für Bauanleitungen für neue Proteine, entstehen in nicht-codierenden DNA-Regionen permanent ‚aus dem Nichts‘. Sie gehen aber genauso wie ihre Transkripte im Laufe der Evolution auch sehr schnell wieder verloren“, sagt Bioinformatiker Erich Bornberg-Bauer. Obwohl aus nur sehr wenigen dieser Kandidaten tatsächlich funktionstüchtige Gene entstehen, also solche Gene, die den Bauplan für funktionierende Proteine enthalten, bleiben einige Kandidaten zufällig über längere Zeit erhalten – allein aufgrund der enormen Anzahl an ständig neu erzeugten Transkripten. „Diese Transkripte können dann in mehreren Abstammungslinien gefunden werden“, so Erich Bornberg-Bauer. „Wahrscheinlich können sie über lange Zeiträume hinweg das Repertoire der bestehenden Proteine ergänzen und an das molekulare Wechselspiel mit diesen angepasst werden.“

Grundlegend neue Eigenschaften eines Organismus werden erklärbar

Manchmal übernimmt also ein „aus dem Nichts“ entstandenes Protein eine Funktion im Organismus. „Damit haben wir auch eine Erklärung dafür, wie grundlegend neue Eigenschaften in einem Organismus entstehen können. Allein durch punktuelle Veränderungen der genetischen Struktur ist das nämlich nicht erklärbar“, so Erich Bornberg-Bauer.

Die Forschungen wurden durch das „Human Frontier Science Program“ unterstützt.

Originalpublikation: Jonathan F. Schmitz, Kristian K. Ullrich and Erich Bornberg-Bauer (2018): Incipient de novo genes can evolve from frozen accidents which escaped rapid transcript turnover. Nature Ecology and Evolution; Published: 10 September 2018, DOI: 10.1038/s41559-018-0639-7

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