Transposons: Welche Rolle spielen sie in der Genomentwicklung?


 

2. Dezember 2021

Transposons oder "Transponierbare Elemente (TEs)“ sind kleine DNA-Abschnitte, die in fast allen Genomen im Stammbaum des Lebens zu finden sind. Ihre Funktion ist nicht vollständig geklärt, aber ihre Eigenschaften sind bemerkenswert: Sie können sich in die DNA integrieren und sich dort auch unabhängig von ihrem Wirt reproduzieren. Daher wird angenommen, dass die Vermehrung von TEs entscheidend zur Genomgröße der Eukaryonten beigetragen hat. TEs kommen jedoch auch in Prokaryonten vor, die viel kleinere Genome haben. Außerdem sind deren Genome deutlich gestrafft, was bedeutet, dass ein viel geringerer Anteil nicht codierend ist. Was steckt dahinter?
 

Einem Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie ist es nun gelungen, mit Hilfe von Computermodellen Licht in die Sache zu bringen.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Populationen mit gestrafften Genomen besser gegen TEs geschützt sind. Obwohl einzelne Zellen, die mit TEs "infiziert" sind, wahrscheinlich aufgrund von DNA-Schäden absterben, verhindert dieser frühe Tod, dass sich TEs in der Population ausbreiten. Dieser Schutzmechanismus funktioniert nur bei ungeschlechtlichen Prokaryonten, nicht aber bei Eukaryonten, die sich sexuell fortpflanzen.

In der Modellsimulation wurde ein so genanntes "Stein-Papier-Schere"-Gleichgewicht zwischen gestrafften (streamlined) Populationen, nicht-gestrafften (non-streamlined) Populationen und den TEs hergestellt, die Abbildung zeigt den Entwicklungszyklus dieses Gleichgewichts.

In der Modellsimulation wurde ein so genanntes "Stein-Papier-Schere"-Gleichgewicht zwischen gestrafften (streamlined) Populationen, nicht-gestrafften (non-streamlined) Populationen und den TEs hergestellt: Zunächst setzt sich die gestraffte Population gegenüber den TEs durch, aber die TEs sterben nicht aus. Das liegt daran, dass mit weniger TEs die Selektion zugunsten der gestrafften Populationen abnimmt. Die nicht-gestrafften Populationen haben einen Vorteil gegenüber den ersteren, weil sie robuster gegenüber Mutationen sind. Wenn die Population der nicht-gestrafften Genome zunimmt, haben die TEs wieder eine Chance, sich zu entwickeln usw. (siehe Abbildung).

Die Modellierung zeigt, dass die transponierbaren Elemente ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung der Größe eines Genoms zu sein scheinen; sie können sowohl eine Verkleinerung als auch eine Vergrößerung bewirken.

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