Die Entstehung eines bakteriellen tRNA-Gens

3. November 2020

Durch Evolutionsexperimente an Bakterien konnte die Gruppe Mikrobielle Evolutionsdynamik am Max Planck Institut für Evolutionsbiologie in Plön die Entstehung eines tRNA-Gens direkt beobachten.

Schema eines tRNA-Moleküls. Das Antikodon bringt Kodons (in der genetischen Information) zu Aminosäuren zusammen, die zu Proteinen werden.

Die Translation ist der Prozess, durch den die genetische Information in Proteine, die Arbeitspferde der Zelle, umgewandelt wird. Kleine Moleküle, so genannte Transfer-RNAs ("tRNAs"), spielen bei der Translation eine entscheidende Rolle; sie sind die Adaptermoleküle, die Codons (die Bausteine der genetischen Information) mit Aminosäuren (den Bausteinen der Proteine) verbinden (siehe Abbildung 1, rechts). Organismen tragen viele Arten von tRNAs, die jeweils von einem oder mehreren Genen kodiert werden (der "tRNA-Gensatz").

Im Großen und Ganzen bleibt die Funktion des tRNA-Gensets - 61 Arten von Codons in 20 verschiedene Arten von Aminosäuren zu übersetzen - bei allen Organismen gleich. Dennoch kann die Zusammensetzung des tRNA-Gensets von Organismus zu Organismus sehr unterschiedlich sein. Wie und warum diese Unterschiede auftreten, ist eine Frage, die die Wissenschaftler seit langem beschäftigt.

Entwicklung eines bakteriellen tRNA-Satzes im Labor

Die Löschung eines bestimmten tRNA-Gens (rotes X) wird kompensiert durch die Verdopplung eines anderen tRNA-Gens (grün).

Jenna Gallie (Forschungsgruppenleiterin am Max Planck Institut für Evolutionsbiologie) und ihr Team haben untersucht, wie sich der tRNA-Gensatz des Bakteriums Pseudomonas fluorescens entwickeln kann, wobei sie eine Kombination aus mathematischer Modellierung und laborgestützten Experimenten verwenden. "Wir begannen damit, eine bestimmte Art tRNA aus dem Genom des Bakteriums zu entfernen, was zu einem Bakterienstamm mit verlangsamten Wachstum führte. Wir gaben diesem langsam wachsenden Stamm die Möglichkeit, sein Wachstum während eines Echtzeit-Evolutionsexperiments zu verbessern. Wir sahen, wie sich der Stamm wiederholt und schnell verbesserte. Die Verbesserung war auf die Verdoppelung großer Teile der genetischen Information des Bakteriums zurückzuführen, wobei jede Verdoppelung ein kompensierendes tRNA-Gen enthielt. Letztendlich wurde die Eliminierung eines tRNA-Typs durch eine Zunahme der Menge eines zweiten, anderen tRNA-Typs kompensiert", sagt Jenna Gallie.
Der verdoppelte tRNA-Typ kann den gelöschten tRNA-Typ kompensieren, da er in der Lage ist, dessen Codon-Aminosäure-Matching-Funktion auszuführen, wenn auch mit einer geringeren Rate. 

Die erste direkte Beobachtung der tRNA-Genduplikation

Vergleiche von tRNA-Genen in verwandten Genomen haben bereits früher Hinweise auf die Verdoppelung einiger tRNA-Gene im Laufe der Evolutionsgeschichte geliefert. Die hier beschriebenen Experimente liefern direkte, empirische Beweise dafür, dass tRNA-Gensätze durch Duplikationen erzeugt werden.

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