9.7 Evolution durch Rekombination und Evolution

9 Rekombination
„Folgeschden“ durch ektopische homologe Rekombination. Repetitive
Elemente bieten Ansatzpunkte fr homologe Rekombination zwischen nichthomologen Stellen des Genoms. Diese verursachen Deletionen, Inversionen
und Translokationen, die jeweils unterschiedliche Krankheiten oder Krebs nach
sich ziehen knnen.
Aktivitt von Retrotransposons. Vor etwa 10 Jahren ist erstmals eine Krankheit auf die Inaktivierung eines wichtigen Gens durch eine Insertion des L1-Retrotransposons zurckgefhrt worden. Seitdem wurden zahlreiche weitere Beispiele belegt.
Erhhung der Chancen von Krebswucherungen. Bei vielen Tumoren wird
eine erhhte Expression eines zentralen Proteins der homologen Rekombination,
Rad51, gefunden. Dies fhrt zu selektiven Vorteilen sowohl bei dem tumorspezifischen schnellen Wachstum der Zellen als auch gegenber vielen gngigen
Behandlungen von Tumoren.
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9.7
Evolution durch Rekombination und Evolution
der Rekombination
Die Verbreitung von Rekombinationsproteinen zeigt, dass die Rekombination
ein evolutionr sehr alter Prozess ist. Sie ist fr die Genomevolution und die
Artentstehung unerlsslich, da sie an horizontalem Gentransfer und der
Neukombination von Genen und Proteindomnen beteiligt ist. Die Analyse
von Bakterienpopulationen zeigt, dass bei vielen Populationen noch heute
Rekombination eine strkere evolutive Kraft ist als Mutation.
In der Evolution sind viele neue biologische Prozesse durch Einbeziehung
von Rekombinationsproteinen entstanden. Beispiele sind die Entwicklung
meiotischer Rekombination und Genregulation durch Genkonversion aus
einem Reparaturweg. Weitere Beispiele zeigen die „Zhmung“ von Transposasen durch den Wirt und ihr Einsatz zur Entwicklung neuer Wirtsfunktionen.
9.7.1
Evolution durch Rekombination
Homologe Rekombination ist ein phylogenetisch sehr alter Prozess, wie die ubiquitre Verbreitung sowohl des zentralen Rekombinationsproteins RecA/RadA/
Rec51 als auch des Prozesses der Rekombination in allen Domnen des Lebens
zeigt. Homologe Rekombination war sowohl fr die Evolution einzelner Genome
wichtig als auch fr den horizontalen Gentransfer zwischen den Arten. Die
Sequenzierung von inzwischen mehr als 500 Genomen – meist von Prokaryoten
– hat gezeigt, dass horizontaler Gentransfer in der Evolution sehr massiv stattgefunden hat und das Vorhandensein von Genen in Genomen und insbesondere
ihre Anordnung innerhalb der Genome nicht gut konserviert sind. Die Neukom-
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bination von Genen in einem Genom, die nicht vertikal von den Vorfahren ererbt
wurden, sondern aus den Genpools mehrerer Arten stammen, erlaubt die Evolution vollkommen neuer Stoffwechselwege, also qualitative „Evolutionssprnge “, durch die Selektion neuer Kombinationen vorhandener Gene, anstatt
„nur“ auf Einzelmutationen als Motor der Evolution angewiesen zu sein. Plakative Beispiele sind auch sogenannte Pathogenittsinseln, die durch bertragung
und Integration in das Genom einer bislang nichtpathogenen Art dieser einen
vollkommen neuen „Lebensstil“ ermglichen.
Es kann angenommen werden, dass in der Frhzeit der Evolution die Genome
sowie auch die Gene kleiner waren. Schon vor Jahrzehnten wurde entdeckt, dass
die Exons eukaryotischer Gene sehr oft einzelne Domnen von Proteinen codieren, die autonom falten knnen. Die Domnen mit einer bestimmten Eigenschaft
(Bindung von ATP, Bindung von RNA, Hydrolyse einer Bindung) knnen Teile von
Proteinen mit sehr unterschiedlicher biologischer Funktion sein, in denen sie mit
jeweils verschiedenen weiteren Domnen kombiniert sind. Die Theorie des „Domain-Swappings “ oder „Exon-Shufflings “ postuliert, dass ein einmal in der Evolution „erfundenes“ Gen fr eine bestimmte Funktion im Laufe der Zeit durch
vielfache Duplikation und Rekombination Teil von vielen zusammengesetzten
Genen geworden sein kann und heute eben fr eine Domne von Proteinen
codiert. Auch prokaryotische Proteine bestehen oft aus mehreren Domnen,
die in verschiedenen Proteinen mit unterschiedlicher Funktion vorkommen.
Allerdings haben die proteincodierenden Gene keine Introns, sodass bei der Neukombination von Genteilen, die fr einzelne Proteindomnen codieren, zu neuen
Genen das Leseraster bei der Rekombination erhalten bleiben muss. Dies war
u. U. nicht immer so: Whrend man frher die Existenz von Introns innerhalb
von Genen fr eine spte Erfindung innerhalb der Evolution der Eukaryoten hielt,
hlt man es heute fr mglich, dass auch Gene von Prokaryoten in der Frhgeschichte des Lebens Introns enthielten. Noch heute findet man bei Prokaryoten
Introns in den Genen stabiler RNAs, und vor kurzem hat man Beispiele von
tRNAs gefunden, die in zwei Hlften an verschiedenen Stellen im Genom codiert
sind und nachtrglich zu einem Molekl zusammengesetzt werden.
Der Vergleich vieler Genome hat gezeigt, dass die Rekombination in der Vergangenheit ein wichtiger Prozess bei der Entstehung prokaryotischer und eukaryotischer Arten war. In den letzten Jahren sind Methoden entwickelt worden,
um zu untersuchen, ob Rekombination in heute lebenden Populationen von Prokaryoten ein noch immer wirkender Evolutionsfaktor ist. Eine Methode ist MLST
(Multi Locus Sequence Typing) (Abb. 9.23): Zunchst werden viele Individuen
einer Population isoliert und vermehrt. Anschließend whlt man ca. zehn Gene
aus, die von den verschiedenen Klonen der Individuen amplifiziert werden,
und sequenziert diese danach (S. 487). Wenn man von einer ursprnglichen
theoretischen Population ausgeht, bei der alle Individuen unterschiedliche
Sequenzen der zehn Gene aufweisen, dann hinterlassen Mutationen und
Rekombinationen unterschiedliche „Spuren“ in den Genomen der Nachkommen.
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9.7 Evolution durch Rekombination und Evolution der Rekombination
9
9 Rekombination
Genome der ursprŸnglichen Population
Evolution durch
Mutation
Abb. 9.23 Folgen der
Evolution durch Mutation
bzw. Rekombination:
Grundlage fr Multi Locus
Sequence Typing (MLST).
Rekombination
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Eine Mutation fhrt typischerweise bei einem der zehn Gene zu einer neuartigen
Sequenz, die in keinem anderen Individuum der Population vorkommt, whrend
Rekombination die Sequenz von einem oder mehreren Genen des Individuums
durch Sequenzen austauscht, die auch in anderen Individuen der Population vorkommen (Abb. 9.23).
MLST-Analysen sowohl von pathogenen Bakterienpopulationen, die aus Kranken isoliert wurden, als auch von Bakterienpopulationen aus verschiedenen
kosystemen haben gezeigt, dass bei vielen Arten Rekombination hufiger vorkommt als Mutation. Dies zeigt, dass Rekombination auch heute noch ein wichtiger Mechanismus fr die Evolution prokaryotischer Arten ist. Abschließend sei
wiederholt, dass die meiotische Rekombination von Eukaryoten die Neukombination von Genen in jeder Generation zur Regel erhoben und damit enorm
beschleunigt hat, was fr die Evolution eukaryotischer Arten eine wichtige
Rolle gespielt hat und noch spielt.
9.7.2
Evolution der Rekombination
In mehreren Abschnitten wurden schon Beispiele genannt, wie Rekombinationsmechanismen im Laufe der Evolution weiterentwickelt wurden und neue biologische Funktionen fr Rekombinationsenzyme „erfunden“ wurden. Die Enzyme
der homologen Rekombination sind wahrscheinlich als „Replikationshilfsenzyme “ entstanden. Was auch immer die frhere Funktion und die selektive Kraft
fr die Entstehung der Enzyme war – die andere Funktion war so hnlich, dass
sie als „Nebenfunktion“ nahtlos mitentstand. Die Enzyme sind heute aber auch
an vollkommen anderen biologischen Funktionen beteiligt, wie der Genregulation durch Umschalten zwischen verschiedenen Varianten oder der Erzeugung
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neuer Genkombinationen in der Meiose. Jeweils waren fr den Funktionswechsel einige zustzliche Proteine ntig. Dafr wurden typischerweise bereits vorhandene Enzyme des Nucleinsurestoffwechsels „umgewidmet“, z. B. ist das
Meioseprotein Spo11 aus einer Topoisomerase entstanden. Dasselbe Prinzip
wird auch bei den anderen Formen der Rekombination beobachtet. Ortsspezifische Rekombinasen knnen – in Wechselwirkung mit weiteren Proteinen –
ganz unterschiedliche biologische Funktionen erfllen. Die Tyrosin-Rekombinasen sind selbst Beipiel fr Proteinevolution und Benutzung einer Domne fr
unterschiedliche Funktionen, da ihre katalytische Domne hnlich zu Topoisomerasen und Telomer-Resolvasen ist und alle drei wohl gemeinsame Wurzeln
haben.
Ein anderes Beispiel ist das Immunsystem der Eukaryoten, das fr die essentiellen Schritte der Gensynthese durch Kombination verschiedener Bausteine
eine ursprngliche Transposase in eine vollkommen andere biologische Funktion
eingebunden hat. Es gibt weitere analoge Beispiele, so gibt es in Pflanzen Transkriptionsfaktoren, die an der lichtabhngigen Genregulation beteiligt sind
und die in der Evolution durch „Zhmung“ einer Transposase entstanden sind.
Ein „jngeres“ Beispiel aus unserer eigenen Geschichte ist ein SETMAR genanntes Protein, das in einem Primatenvorlufer durch eine Transposition entstanden
ist, die zur Fusion eines Gens einer Transposase der „marimer“-Familie mit
einem Gen fr eine SET-Domne gefhrt hat. Die Analyse des menschlichen
Genoms zeigt, dass es, je nach Stringenz der angewendeten Kriterien, zwischen
20 und mehreren hundert Gene enthlt, die in der Evolution aus Transposongenen entstanden sind. Die „Umwidmung“ einer Transposase hat fr Arten nicht
nur den Vorteil, ein zustzliches Protein fr eigene biologische Belange einsetzen
zu knnen, sondern es werden auch alle Transposasebindestellen im Genom mit
„bernommen“, was den direkten Aufbau eines Regulationsnetzwerkes ermglicht.
Evolution durch Rekombination: Evolutionr sehr alt; Genomplastizitt und
Artentstehung; Exon-Shuffling; horizonaler Gentransfer, Multi Locus Sequence
Typing (MLST).
Evolution der Rekombination: Evolution neuer Funktionen aus einem Reparaturweg p z. B. Meiose, Genregulation durch Genkonversion; Proteinevolution p
Divergieren zu unterschiedlichen Funktionen; „Zhmung“ von Transposons und
Einsetzen fr Wirtsfunktionen.
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