Evolution: Mutationen versperren Entwicklungsrückweg
An der DNA-Sequenz für ein Rezeptorprotein konnten Wissenschaftler jetzt beispielhaft zeigen, wie zufällige Mutationen verhindern, dass sich ein Gen zu einer ursprünglicheren Form wieder zurückentwickelt. Mit ihrer Untersuchung wollen die Forscher um Joe Thornton von der University of Oregon in Eugene erklären, warum die Evolution immer nur voranschreite und nie einen bereits eingeschlagenen Entwicklungsweg zurückgehe.
Für seine Untersuchung schuf das Team um Thornton aus einem modernen Protein künstlich ein archaisches, indem es dessen Bauplan gezielt veränderte. Dabei kam den Forschern zugute, dass sie in einer früheren Studie anhand von Genvergleichen die Entwicklungsgeschichte eines bestimmten Rezeptors genauestens verfolgt hatten, der im Lauf von 40 Millionen Jahren sein ursprünglich breit gefächertes Spektrum von Reaktionspartnern auf einen einzigen Botenstoff – nämlich Cortisol – eingeengt hatte.
Unter den 37 genetischen Veränderungen hatten die Wissenschaftler damals sieben Schlüsselmutationen entdeckt, die die Gestalt des Moleküls entscheidend veränderten und damit dem Rezeptor seine Spezialisierung bescherten. Diese sieben Veränderungen im Bauplan machten sie nun künstlich rückgängig. Wider Erwarten erhielt das Protein dennoch seine alte Funktion nicht zurück, sondern verlor stattdessen jegliche Wirksamkeit.
Eine Erklärung für dieses rätselhafte Ergebnis fanden Thornton und Kollegen in der molekularen Struktur des künstlich erzeugten Proteins: An mehreren Stellen fehlten ihm stabilisierende Aminosäuren. Erst als die Forscher auch noch diese DNA-Abschnitte wieder in ihre ursprüngliche Form brachten, zeigte der Rezeptor die gewünschte breit gefächerte Selektivität.
Da diese fünf Hilfsbausteine ausschließlich für die Funktionsweise des archaischen Rezeptors, nicht aber für die des jüngeren Typs eine Rolle spielen, hatten sich erwartungsgemäß an den entsprechenden Stellen im Bauplan Kopierfehler eingeschlichen. Die Möglichkeit einer evolutionsgeschichtlichen "Rückentwicklung" sei auf Grund solcher Phänomene ausgeschlossen, so Thornton: Selbst wenn eines Tages die Selektion die unspezifische Form des Rezeptors bevorzugen würde, müsste die Evolution in einem ersten Schritt die Hilfsbausteine anpassen und erst dann die sieben Schlüsselmutationen. Da dies jedoch keinen unmittelbaren Vorteil bringe, wäre die gewünschte Mutation allein dem Zufall zu verdanken. Die Wahrscheinlichkeit hierfür sei allerdings verschwindend gering.
Damit ist nicht grundsätzlich ausgeschlossen, dass sich aus dem modernen Rezeptor mit seiner hohen Selektivität einer mit breiterem Spektrum entwickle. Unwahrscheinlich sei allein, so die Wissenschaftler, dass er genau so aussehen und funktionieren würde wie sein Vorgänger. (jd)
Für seine Untersuchung schuf das Team um Thornton aus einem modernen Protein künstlich ein archaisches, indem es dessen Bauplan gezielt veränderte. Dabei kam den Forschern zugute, dass sie in einer früheren Studie anhand von Genvergleichen die Entwicklungsgeschichte eines bestimmten Rezeptors genauestens verfolgt hatten, der im Lauf von 40 Millionen Jahren sein ursprünglich breit gefächertes Spektrum von Reaktionspartnern auf einen einzigen Botenstoff – nämlich Cortisol – eingeengt hatte.
Unter den 37 genetischen Veränderungen hatten die Wissenschaftler damals sieben Schlüsselmutationen entdeckt, die die Gestalt des Moleküls entscheidend veränderten und damit dem Rezeptor seine Spezialisierung bescherten. Diese sieben Veränderungen im Bauplan machten sie nun künstlich rückgängig. Wider Erwarten erhielt das Protein dennoch seine alte Funktion nicht zurück, sondern verlor stattdessen jegliche Wirksamkeit.
Eine Erklärung für dieses rätselhafte Ergebnis fanden Thornton und Kollegen in der molekularen Struktur des künstlich erzeugten Proteins: An mehreren Stellen fehlten ihm stabilisierende Aminosäuren. Erst als die Forscher auch noch diese DNA-Abschnitte wieder in ihre ursprüngliche Form brachten, zeigte der Rezeptor die gewünschte breit gefächerte Selektivität.
Da diese fünf Hilfsbausteine ausschließlich für die Funktionsweise des archaischen Rezeptors, nicht aber für die des jüngeren Typs eine Rolle spielen, hatten sich erwartungsgemäß an den entsprechenden Stellen im Bauplan Kopierfehler eingeschlichen. Die Möglichkeit einer evolutionsgeschichtlichen "Rückentwicklung" sei auf Grund solcher Phänomene ausgeschlossen, so Thornton: Selbst wenn eines Tages die Selektion die unspezifische Form des Rezeptors bevorzugen würde, müsste die Evolution in einem ersten Schritt die Hilfsbausteine anpassen und erst dann die sieben Schlüsselmutationen. Da dies jedoch keinen unmittelbaren Vorteil bringe, wäre die gewünschte Mutation allein dem Zufall zu verdanken. Die Wahrscheinlichkeit hierfür sei allerdings verschwindend gering.
Damit ist nicht grundsätzlich ausgeschlossen, dass sich aus dem modernen Rezeptor mit seiner hohen Selektivität einer mit breiterem Spektrum entwickle. Unwahrscheinlich sei allein, so die Wissenschaftler, dass er genau so aussehen und funktionieren würde wie sein Vorgänger. (jd)
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