Das paradoxe Gen der Evolution 🧬

Die Rekombination zwischen elterlichen Chromosomen, ein Merkmal der sexuellen Fortpflanzung, spielt eine entscheidende Rolle in der Evolution. Bei Säugetieren ist ein Protein namens PRDM9 für diesen Prozess unerlässlich. In einem Artikel, der in PLOS Biology veröffentlicht wurde, zeigen Wissenschaftler, dass dieses Protein auch bei Salmoniden vorkommt und ähnlich funktioniert. Diese Ergebnisse, die den uralten Ursprung von PRDM9 beweisen, eröffnen neue Perspektiven auf die Evolution der Genome im Laufe der Zeit.

Die entscheidende Rolle der genetischen Rekombination

Die sexuelle Fortpflanzung ermöglicht eine genetische Vermischung der Eltern durch einen Prozess namens Meiose. Während dieser Zellteilung tauschen die Chromosomen DNA-Segmente aus. Die Rekombination zwischen elterlichen Chromosomen und ihre Verteilung in den Keimzellen hat langfristige Auswirkungen auf die Evolution der Genome. Insbesondere erhöht die Rekombination die Effizienz der Selektion und erleichtert die Anpassung.

Allerdings sind die Orte, an denen diese Austausche stattfinden, nicht zufällig gewählt. Zwei Hauptmodelle oder Muster der Verteilung wurden identifiziert. Das erste, das bei vielen Arten (Pflanzen, zahlreiche Metazoen) beobachtet wird, basiert auf zugänglichen Bereichen des Chromatins, die größtenteils regulatorische Regionen der Genexpression sind. Das zweite wird durch ein spezielles Protein namens PRDM9 bestimmt, das sich an spezifische DNA-Sequenzen bindet, um dort die Rekombination auszulösen.

PRDM9: ein Gen mit paradoxer Rolle

Dieser PRDM9-abhängige Mechanismus wurde bisher nur bei bestimmten Säugetieren beschrieben und weist paradoxe Eigenschaften auf. Obwohl er die Rekombinationsstellen bestimmt, unterliegen diese einer Erosion über die Generationen hinweg. Dieses Phänomen führt zu einem endlosen evolutionären Wettlauf, bekannt als "Red-Queen-Modell", der die Selektion neuer PRDM9-Allele beinhaltet, die neue Stellen im Genom erkennen, die ihrerseits wieder erodieren.

Dieser durch PRDM9 verursachte genetische Konflikt ist umso überraschender, da viele Arten ohne dieses Gen korrekt rekombinieren können (erstes Muster). Darüber hinaus zeigt die phylogenetische Studie von PRDM9, dass dieses Gen im Laufe der Evolution mehrmals unabhängig voneinander verloren ging, möglicherweise im Zusammenhang mit der Erosion der Stellen.

All dies wirft die Frage nach seiner tatsächlichen Rolle im Leben auf. Daher war es zunächst wichtig zu bestimmen, ob die Funktion von PRDM9 auf Säugetiere beschränkt ist.

Eine überraschende Entdeckung bei Salmoniden

Um diese Frage zu beantworten, analysierten die Wissenschaftler in einem in der Zeitschrift PLOS Biology veröffentlichten Artikel die Phylogenie von PRDM9 bei Wirbeltieren und identifizierten, dass ein Homolog dieses Gens bei Salmoniden vorhanden ist, während es bei nahe verwandten Fischen fehlt. Sie entwickelten eine Reihe molekularer und populationsgenetischer Ansätze, die es ihnen ermöglichten, festzustellen, dass PRDM9 tatsächlich eine Rolle bei der Bestimmung der Rekombinationsstellen spielt.

Es weist eine hohe allelische Vielfalt in seiner DNA-Bindungsdomäne auf. Darüber hinaus identifizierten sie molekulare Marker, die charakteristisch für die Aktivität von PRDM9 sind, wie chemische Modifikationen der Histone, der mit DNA assoziierten Proteine.

Durch die Untersuchung verschiedener Arten und Populationen von Lachsen (Atlantik, Pazifik, Ostsee) konnten sie eine Divergenz der Rekombinationsstellen zwischen den am weitesten entfernten Populationen nachweisen, was genau zu erwarten ist, wenn PRDM9 aktiv ist. Ebenfalls in Übereinstimmung mit dieser entscheidenden Rolle von PRDM9 konnten die Wissenschaftler beim Lachs DNA-Sequenzen identifizieren, die spezifisch an Rekombinationsstellen angereichert sind, und eine Erosion dieser Sequenzen im Laufe der Evolution feststellen.

Diese Beobachtungen bestätigen, dass das PRDM9-Gen, weit davon entfernt, auf Säugetiere beschränkt zu sein, bereits vor mehreren hundert Millionen Jahren aktiv war.

Perspektiven: die Ursprünge von PRDM9 ergründen

Somit ist die Funktion von PRDM9 für die Lokalisierung von Rekombinationsstellen nicht auf Säugetiere beschränkt und entstand viel früher als erwartet, mit den damit verbundenen genetischen Konflikten, die sich über mehrere hundert Millionen Jahre hinweg fortsetzen. Es wird wichtig sein, weiter in der Evolution zurückzugehen, um das Auftreten von PRDM9 zu identifizieren und die selektiven Kräfte zu verstehen, die zu seiner Erhaltung beitragen.