Molekulare Mechanismen und biologische Bedeutung

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Horizontale Genübertragung
Molekulare Mechanismen und
biologische Bedeutung
JOSEPH W. LENGELER
MAX-PL ANCK-INSTITUT DYNAMIK KOMPLEXER TECHNISCHER SYSTEME, MAGDEBURG
Bei der horizontalen Genübertragung wird Erbgut, das nicht aus der Mutterzelle stammt, auf die Tochterzelle übertragen. Dieser verbreitete Prozess ist die treibende Kraft bei der modularen Evolution. Er eröffnet eine
neue Sicht auf das Konzept der (bakteriellen) Art.
During horizontal gene transfer, genetic material, which did not derive
from the mother cell, is transferred to daughter cells. The universal process is the driving force in modular evolution and opens a new view on
the concept of (bacterial) species.
ó Vererbung bezeichnet traditionell die
Übertragung des genetischen Materials (DNA
und Gene) sowie der epigenetischen Information von den Elternorganismen auf ihre
Nachkommen. Die Übertragung erfolgt bei
jeder Zellteilung vertikal von der Mutterzelle auf die Tochterzellen, und damit auch bei
jeder vegetativen, also nicht sexuellen Vermehrung (Klonierung). Bei der horizontalen
Genübertragung gelangt genetisches Material in eine Zelle, das nicht aus der Mutterzelle
stammt. Es kann aus Organismen derselben
Art oder aus fremden Arten stammen. Bei der
sexuellen Vermehrung wird die Befruchtung
der Eizelle durch den männlichen Gameten
nicht als horizontale Genübertragung wahrgenommen, weil beide Gensätze schon bei
der ersten Zellteilung vertikal an die Blastozyten weitergegeben werden. Trotzdem entspricht die Befruchtung zunächst einer horizontalen Genübertragung zwischen Organismen derselben Art. Nach dem Gentechnikgesetz gilt allerdings nur der artübergreifende Prozess als horizontale Genübertragung,
was besonders im Hinblick auf die Definition
„transgener“ Organismen (GVOs) relevant ist.
Im Übrigen muss das wirkliche Ausmaß der
artübergreifenden horizontalen Genübertragung unbekannt bleiben, so lange nur kurze
Beobachtungszeiträume von Jahrzehnten vorliegen und bei Pro- und Eukaryoten die Begriffe „sexuelle“ Vermehrung und „Art (Spezies)“
verschieden benutzt werden (s. u.). Tausende
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bekannte „Arthybride“ belegen, dass die
natürliche horizontale Genübertragung keineswegs bei den höheren Eukaryoten vor Artgrenzen halt macht[1–3].
Wie bei der Befruchtung der Eukaryoten
erfolgt auch bei der Konjugation der Prokaryoten eine horizontale Genübertragung zwi-
schen Zellen eines Donors und eines Rezipienten, der sofort eine vertikale Übertragung
der Gene beider Organismen folgt. Wie bei
den Eukaryoten unterscheiden sich Donor
(„männlich“) und Rezipient („weiblich“) einer
Art sowohl genetisch und morphologisch als
auch physiologisch, die Genübertragung
erfolgt wie bei der klassischen Befruchtung
asymmetrisch vom Donor zum Rezipienten.
Weder die Befruchtung noch die Konjugation
ist zwingend auf Zellen derselben Art
beschränkt; eine Fremdbefruchtung ist also
möglich. Bei den Prokaryoten werden im Verlauf einer Konjugation meist nur Teile des
Genoms und des Chromosoms übertragen, es
entstehen also diplogenote statt diploide Zellen. Durch die häufigen Genübertragungen
ist garantiert, dass innerhalb einer Population alle Gene übertragen und ausgetauscht
werden. Die bakteriellen Übertragungsmechanismen führen zu Ergebnissen wie bei
den eukaryotischen Haplonten mit ihrer auf
˚ Abb. 1: Mechanismen horizontaler Genübertragung bei Prokaryoten. Zentrales Produkt der
Evolution ist ein zelluläres Chromosom, welches mosaikartig aus obligaten (schwarz) und fakultativen (blau) Gengruppen besteht. Seine Dynamik verdankt es verschiedenen autonomen genetischen Elementen (AuGEs).
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WISSENSCHAFT
˚ Abb. 2: Redundante Abbauwege der Enterobakterien für Sucrose (Saccharose). Links: PTSabhängiger und hochaffiner Abbauweg (scr-Gene); rechts: Symporter-abhängiger und niedrigaffiner Abbauweg (csc-Gene).
die Zygote beschränkten Diploidie. Weil die
Mechanismen der Genübertragung und der
stabilen Integration der neuen DNA in der
Wirtszelle immer gleich sind und alle den
Austausch der Gene bewirken, ist die strikte
Unterscheidung zwischen sexueller und parasexueller Vermehrung sowie die Begrenzung
des Begriffs horizontale Genübertragung auf
artüberschreitende Übertragungen zu hinterfragen.
Die Mechanismen der vertikalen und
horizontalen Genübertragung sind
gleich
Bei allen Genübertragungen sind die Autonomen Genetischen Elemente (AuGEs) zentral. Replikons, wie Plasmide (einschließlich
Bakteriophagen und Viren) und Chromosomen, sind zur autonomen Replikation innerhalb einer Wirtszelle befähigte AuGEs, die
auch zur direkten Übertragung in andere Zellen fähig sein können. Andere, wie Insertionselemente (IS), Transposonen (Tn, CTn)
und Genomische Inseln, werden nur als integrierter Teil eines Replikons („Ko-Integrat“)
repliziert. Dafür ist diese Klasse, zu denen
die Retroviren gehören, zur autonomen Translokation innerhalb und zwischen verschiedenen Replikons befähigt. Sie können
darüber hinaus jede andere, an sich unbewegliche DNA ihrer Wirtszelle in Form
„zusammengesetzter Transposonen“ mobilisieren (Abb. 1).
Zur Genübertragung innerhalb der Art und
artübergreifend setzen die Prokaryoten die
Transformation, Transduktion und Konjugation ein. Bei den Eukaryoten mit ihrem stärker von der Umwelt abgeschirmten zellulären Genom ist über die Mechanismen der
Genübertragung relativ wenig bekannt. Vermutlich sind hauptsächlich Viren, Endosymbionten und Parasiten sowie die Fremdbefruchtung bei der Übertragung artfremder
Gene beteiligt[1–4].
Jede erfolgreiche Genübertragung erfordert als letzten Schritt die autonome Replikation der neuen DNA und ihre Integration
mittels homologer, ortsspezifischer oder illegitimer Rekombination in ein AuGE. Dieselben Mechanismen ermöglichen anschließend
ihre Translokation auf jedes andere AuGE der
Wirtszelle (Abb. 1).
Horizontale Genübertragung und
modulare Evolution
Früh im Laufe der Evolution wurde der langsame Mutationsprozess mithilfe einzelner
Basenaustausche durch die Verwendung grö-
ßerer DNA-Abschnitte (Module) als Ausgangsmaterial jeder neuen Evolutionsreihe
abgelöst. Solche DNA-Module (z. B. Introns,
Exons) kodieren für hoch konservierte Strukturen und funktionelle Einheiten auf der Peptidebene und entsprechen schließlich ganzen
Genen oder Gengruppen. Diese modulare Evolution beschleunigte sich durch Verdopplung
der zu verändernden DNA-Module vor ihrer
Mutation[4]. Wenn Kopie und Original (Überbegriff: Homologe) die gleiche Funktion behalten, werden sie als orthologe, bei veränderter
Funktion aber als paraloge Gene (Proteine)
bezeichnet.
Nach ihrer Verdopplung müssen Kopie und
Original getrennt werden, um den Verlust der
Kopie durch homologe Rekombination mit
dem Original zu verhindern. Dazu wird beispielsweise der (Guanin und Cytosin)-Gehalt
der Kopie auf einem neuen AuGE oder in
einer neuen Wirtszelle mit abweichendem (G
+ C)-Gehalt verändert. Andere Isolationsmechanismen beruhen, besonders bei Eukaryoten, auf geografischen, anatomischen oder
verhaltensbedingten Trennungen von Kopie
und Original. In jedem Fall muss die neue
DNA stabil in der neuen Zelle etabliert und
repliziert werden. Dazu muss sie die zellulären Abwehrmechanismen gegen fremde DNA
überwinden (z. B. Modifikation, Restriktion;
Eliminierung von Plasmiden und Viren) und
mit der zellulären DNA rekombinieren. Mit
fallender Ähnlichkeit zwischen zwei DNAMolekülen nimmt die Effizienz der Abwehr
stark zu, nehmen homologe und ortsspezifische Rekombination fast exponentiell ab, das
heißt je fremder die neue DNA, desto geringer
die Wahrscheinlichkeit ihrer stabilen Etablierung in einer artfremden Zelle. Naturgemäß versagen diese Ausschlussmechanismen
eher, falls bei der Genübertragung autonom
replizierende AuGEs oder solche, die durch
illegitime Rekombination in Wirts-DNA integriert werden können, beteiligt sind.
Eine typisch modulare Evolution zeigen
zwei redundante Abbauwege für Sucrose
(Saccharose) der Enterobakterien (Abb. 2).
Der eine Weg startet mit einem Porin ScrY
und einem hochaffinen Transporter (PTS)
EIICBScr (Gen scrA) sowie Fruktose-P als
Induktor, der andere mit einem niedrigaffinen H+-Symporter (Gen cscA) und Sucrose als Induktor. Diese und die weiteren Elemente sind ortholog (Invertasen ScrB und
CscB; Fruktokinasen ScrK und CscK) und
paralog (Repressor ScrR und CscR) untereinander oder zu Elementen des Lactose- und
Maltose-Stoffwechsels.
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Precision
Sensitivity
Accuracy
Reliability
˚ Abb. 3: Lage der Gene des scrKYABR-Regulons und des cscRAKB-Operons der redundanten Sucrose-Abbauwege (Abb. 2). Charakteristisch ist ihre Lage auf verschiedenen
AuGEs bzw. im Chromosom, flankiert von IS-Elementen, Transposons oder dem kryptischen Phagen PA-2.
Die orthologen scr-Gene und Enzyme
(≥ 96 % identische Basenpaare, ≥ 98 %
identische Aminosäuren) für den PTSabhängigen Abbauweg kodieren innerhalb der Enterobakterien (Abb. 3) im
Chromosom selbst (Klebsiella), auf dem
Transposon Tn2555, dem konjugativen
Plasmid pUR400 (beide flankiert vom
gleichen IS26) oder dem konjugativen
Transposon CTnscr94 (100 kb). Letzteres trägt sowohl Phagen-spezifische intxis-Gene, für die Integration-Exzision in
die hoch konservierten tRNA-Gene pheU
und pheV, als auch tra-pil-Gene eines
Plasmids für die Konjugation, und es ist
mit einer Pathogenitäts-Insel der Gattung
Salmonella verwandt[5].
Die csc-Gene des zweiten Sucrose-Wegs
fehlen im Laborstamm K-12 von E. coli,
während sie im Wild-Isolat EC3132 und
im pathogenen Stamm O157:H7 zwischen
der linken Hälfte des dsd-Operons, dem
Gen argW für eine tRNA, und dem kryptischen Bakteriophagen PA-2 kartieren,
der sich auch bei K-12 findet. Eine solche Flankierung homologer und paraloger Gene durch (Reste) identische(r)
AuGEs gilt als charakteristischer Hinweis auf rezente chromosomale Umlagerungen im Rahmen einer modularen Evolution[2, 6].
Da jede modulare Evolution von den
gerade vorhandenen Modulen ausgeht,
erscheinen die redundanten Lösungen
(hier zwei Stoffwechselwege) aus heutiger Sicht nicht immer “optimal“. Dem
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wiederum arbeitet die koordinierte Evolution komplexer Gengruppen und Stoffwechselwege entgegen[6].
Definition der Art über ihr „Kollektiv-Genom“
Das Genom jedes der vollständig sequenzierten Stämme (nicht zu verwechseln
mit „Mutanten des Stamms K-12“!) der
Art E. coli (Shigella) enthält etwa 4.000
obligate Gene. Diese artspezifischen,
orthologen Gene bilden das Rückgrat
ihres zellulären Chromosoms, und sie
liegen bei nahe verwandten Arten wie
Klebsiella, Salmonella und Erwinia an
gleicher Stelle des Chromosoms. Ihnen
stehen rund 2.000 fakultative oder
Stamm-spezifische Gene gegenüber –
auch sie, falls in verschiedenen Stämmen
vorhanden, ortholog. Diese liegen häufig
an unterschiedlichen Stellen des Chromosoms, wobei ihre Nähe zu chromosomalen Umlagerungen auffällt, oder sogar
auf extrachromosomalen AuGEs (scr- und
csc-Gene in Abb. 3). Sie finden sich in
wechselnder Zahl (200 bis 1.500 pro
Stamm) und Art in den einzelnen Stämmen, deren Eigenart sie definieren. Sie
kodieren für „zusätzliche“ Funktionen,
die nicht zwingend lebensnotwendig
sind, wie Donor-Eigenschaften, seltene
Stoffwechselwege, Resistenzen gegen Gifte, symbiontische oder pathogene Eigenschaften oder die Spezialisierung in
Untergruppen wie Uropathogene und
Enteroinvasive, welche die Besetzung
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˚ Abb. 4: Schema des Kollektiv-Genoms
von Escherichia coli, dargestellt am Beispiel
von sechs gut untersuchten Stämmen. Die
grauen Kreise stellen die etwa 4.000 artspezifischen Gene dar, die jeder Stamm obligat
besitzt. Der blaue Kreis zeigt die etwa 2.000
Stamm-spezifischen Gene für fakultative
Eigenschaften. Sie wandern innerhalb der
Stämme der Art E. coli und unterscheiden
sich nach Art und Zahl von Stamm zu
Stamm. Obligate und fakultative Gene eines
Stamms bilden dessen zelluläres Genom,
während alle Gene zusammen das KollektivGenom der Art bilden.
unterschiedlicher ökologischer Nischen
ermöglichen. Obligate und fakultative Gene
zusammen bilden das zelluläre Genom eines
Stamms.
Die schnelle Anpassungsfähigkeit der Prokaryoten setzt kurze Generationszeiten voraus. Wohl deshalb haben sie zur schnellstmöglichen DNA-Vermehrung ihr zelluläres
Genom auf das für nicht parasitäre Organismen absolute Minimum reduziert, ihre fakultativen Gene also in Form eines Genpools auf
die Population verteilt. Damit diese trotzdem
jederzeit jedem Mitglied der Population zur
Verfügung stehen, musste die horizontale
Genübertragung innerhalb der Art oder nahe
verwandter Arten entsprechend optimiert
werden – daher deren eminente Bedeutung
für das Überleben der Art. Zumindest bei den
Prokaryoten genügt die Beschreibung des
zellulären Genoms eines Stamms nicht zur
vollständigen Beschreibung einer Art (Spezies). Vielmehr müssen alle obligaten und
fakultativen Gene aus allen Stämmen der
Art, ihr „Kollektiv-Genom“, erfasst werden
(Abb. 4).
Als Folge der artübergreifenden Genübertragung finden sich manche fakultativen
Gene einer Art selbst bei Stämmen verwandter Arten (Abb. 3). Sie lassen sich dennoch ihrer Art zuordnen, da nur artspezifische orthologe Gene (≥ 98 % identische
Basenpaare) mit hoher Effizienz über homologe Rekombination ausgetauscht werden
können. Trotz scheinbar intensiver natürlicher horizontaler Genübertragung ist die
Stabilität der Arten über sehr lange Zeiträume hinweg gewährleistet. Die vorhandenen
Isolationsmechanismen müssen effizient die
unerwünschte massenhafte Entstehung
„transgener“ Organismen verhindert haben.
Nebenbei: Bei niedriger Ähnlichkeit von
Genen (DNA) kann nicht mehr eindeutig zwischen homologen und analogen Genen (Proteinen) unterschieden werden. Letztere täuschen, trotz unterschiedlicher Herkunft, eine
nicht vorhandene genetische Verwandtschaft
vor. Entsprechend skeptisch müssen Berichte über spektakuläre Fälle horizontaler Übertragungen von Bakterien bis zum Säuger
betrachtet werden.
untereinander fortpflanzender natürlicher
Populationen, die reproduktiv von anderen
Gruppen isoliert sind. Offensichtlich wird die
reproduktive Isolierung der Arten außer
durch gentechnische Eingriffe durch die
natürliche artübergreifende horizontale Genübertragung durchbrochen, z. B. in Form der
Fremdbefruchtung durch massenhaft importierte Neophyten. Damit liegt aus der Sicht
des Genetikers deren Gefährdungspotenzial
in derselben Größenordnung wie das „transgener Organismen“ und anderer GVOs. ó
Literatur
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Klebsiella oxytoca M5a1 and other enteric bacteria display
convergent evolution. Mol. Gen. Genomics 271: 717–728.
Bedeutung für die Erhaltung der
Arten
Das wirkliche Ausmaß der natürlichen, artspezifischen und artübergreifenden horizontalen Genübertragung von den Prokaryoten bis zu den höher entwickelten Organismen innerhalb evolutionär relevanter Zeiträume und ihre herausragende Bedeutung
für die Erhaltung der Arten überrascht. Diese neuen Erkenntnisse erzwingen geradezu
eine Neudefinition der Arten als Gruppen sich
Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. Joseph W. Lengeler
AG Genetik, Fachbereich Biologie/Chemie
Universität Osnabrück
Barbarastraße 11
D-49069 Osnabrück
Tel.: 0541-442211
Fax: 0541-969-2293
[email protected]
AUTOR
Joseph W. Lengeler
Jahrgang 1937. 1956–1962 Studium der Biologie/Chemie an der Universität Köln.
1966 Promotion, dann Assistent bei Prof. Dr. Peter Starlinger am Institut für Genetik, Köln. 1969–1972 Research Fellow an der Harvard Medical School, Boston. Ab
1973 Assistent an der Universität Regensburg. 1976 Habilitation (Genetik).
1980 C2-Professor an der Universität Regensburg. 1984–2002 C4-Professor für
Genetik an der Universität Osnabrück. 2002–2008 Gastprofessor am MPI Dynamik
komplexer technischer Systeme in Magdeburg.
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