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Horizontaler Gentransfer: Stark durch Genspende

Nicht nur durch Sex lässt sich das eigenen Genom auffrischen. Immer mehr Studien deuten darauf hin, dass viele Gene von Einzellern stammen, auch bei Menschen.
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Als am 26. September 2007 die Landekapsel FOTON-M3 in der kasachischen Steppe niederging, blieb das von der Öffentlichkeit nahezu unbeachtet. Denn außer seelenloser Messtechnik beherbergte die Kapsel scheinbar nichts von Interesse. Doch an Bord des sonst unbemannten Gefährts befanden sich geschätzte 3000 Exemplare eines winzigen Tierchens, für das eine einzigartige Karriere beginnen sollte. Diese wegen ihrer eigenwilligen Fortbewegungsweise auch Bärtierchen genannten Kleinstlebewesen sind – wie sich später zeigen sollte – die bislang einzigen Tiere, die einen Ausflug in den Weltraum außerhalb einer schützenden Kapsel jemals überstanden haben.

Ihre erstaunliche Zähigkeit bescherte den kleinen Tierchen viele Sympathien und bis heute Kultstatus. Zwölf Tage zuvor waren die putzigen Achtbeiner mit Hilfe einer Sojus-Trägerrakete vom russischen Baikonur ins All gestartet. Dazwischen kreisten sie, nahezu schutzlos den lebensfeindlichen Bedingungen ausgesetzt, 189-mal um die Erde. Wissenschaftler von der Universität Stockholm hatten die Tiere zusammen mit deutschen Fachkollegen in einem Behälter an der Außenseite der Raumkapsel befestigt.

Ein neuer Star der Exobiologie

Hinter dem ESA-Projekt "Tardigrades In Space" (TARDIS) stand ein Casting der besonderen Art. Es sollten Pionierorganismen gefunden werden, die geeignet sind, in ferner Zukunft unwirtliche Planeten zu besiedeln und den Weg für nachfolgende Organismen bis hin zu einem funktionierenden Ökosystem zu bereiten. Der Ausgang des Experiments versetzte die Wissenschaftler um Projektleiter K. Ingemar Jönsson von der Universität Kristensand in Staunen. Viele der Tardigraden, wie die Bärtierchen auch genannt werden, überlebten den Ausflug in den Weltraum völlig unbeschadet. Kosmische Kälte, Dehydrierung, Vakuum und Strahlung hatten ihnen nichts anhaben können, und nach einer kurzer Erholung produzierten sie – scheinbar unbeeindruckt – ähnlich zahlreichen Nachwuchs wie die auf der Erde verbliebenen Kontrollpopulationen. Wie es den Tierchen gelungen war, den widrigen Bedingungen des Weltraums zu trotzen, wurde seitdem eifrig beforscht.

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Raumkapsel Foton-M3 | Vorbereitung der Foton-M3 Raumkapsel zur ESA-Mission im Baikonur Cosmodrome, Kasachstan.

Bärtierchen bilden einen eigenen Stamm innerhalb der Vielzeller. Ihr plumper, zylindrisch geformten Körper besteht aus vier Körpersegmenten mit je einem Paar Stummelbeinen. Mittlerweile haben Studien gezeigt, dass die Tierchen über einen im Tierreich einzigartigen molekularen Werkzeugkasten verfügen, mit dem sich Hitzeschäden, poröse Zellwände oder gar durch harte Strahlung zertrümmerte DNA wieder reparieren lassen. Das Werk dieser so genannten Stressproteine wurde zwar auch schon in den Bärtierchen stammesgeschichtlich eng verwandten Arten wie dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans und der Taufliege Drosophila melanogaster nachgewiesen, die Häufung bei Milnesium tardigradum ist allerdings außergewöhnlich. Doch wie hatte es das Bärtierchen geschafft, eine Robustheit zu entwickeln, wie sie bis dahin bei Vielzellern unmöglich schien? Eine derartige Widerstandsfähigkeit war bis dato nur viel primitiveren, einzelligen Organismen wie Bakterien zugeschrieben worden. Wie ist es den Tardigraden gelungen, sich im Lauf der Evolution bakterienähnliche Eigenschaften anzueignen?

Alles nur geklaut?

Von Bakterien und anderen einzelligen Organismen ist bereits seit Längerem bekannt, dass sie untereinander Eigenschaften, zum Beispiel Resistenzen gegen ein Antibiotikum, austauschen können. Könnten sich die Bärtierchen diese Freigiebigkeit zu Nutze gemacht haben? Diesen Verdacht nähren jüngste Ergebnisse einer Forschergruppe um Bob Goldstein. Mit Hilfe aufwändiger Sequenzierungsverfahren identifizierten sie insgesamt 6663 Gene im Erbgut der Tardigraden, die ursprünglich aus fremden Quellen, von Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Viren stammen. Das entspricht 17,5 Prozent und damit dem doppelten Anteil beim bisherigen Rekordhalter Adineta ricciae, einem 0,1 bis 0,5 Millimeter großen Rädertierchen. Die zwei am häufigsten gefundenen Gentypen, aus Fremd-DNA, kodieren für Katalase, ein Enzym, das bei der Neutralisierung von oxidativem Stress eine wichtige Rolle spielt.

Die übertragenen Gene seien im Lauf der Evolution an die für Bärtierchen typische Genstruktur angepasst worden, berichten die Forscher. Sie zeigten für Tiergene charakteristische Eigenschaften, zum Beispiel so genannte Exons und Introns, die bei Einzellern nicht vorkommen. Daraus schließen die Forscher, dass die ursprünglich aus Bakterien entlehnten Gene in das Genom des Bärtierchens integriert worden sind und dort offenbar die Funktion bestehender Gene ersetzt oder ergänzt haben. Das habe den Tieren ihre besondere Überlebensfähigkeit unter Extrembedingungen beschert. Den Einwand, die Fremd-DNA gehöre lediglich zum Darminhalt der Bärtierchen, konnten die Wissenschaftler mit großer Sicherheit entkräften. Die Bärtierchen waren ausschließlich mit keimfreien Kulturalgen gefüttert worden. Zudem zeigten aufwändige Gensequenzierungen, dass die Fremd-DNA mit dem Genom der Bärtierchen physisch verbunden ist.

Mit Bakteriengen zum Kaffeekiller

Horizontaler Gentransfer war bei Einzellern schon häufiger nachgewiesen worden. Bereits 2013 hatten Erbgutanalysen des Teams um Gerald Schönknecht von der Universität Düsseldorf ergeben, dass die in heißen, schwefligen Vulkanquellen heimische Rotalge Galdieria sulphuraria viel vom nötigen Überlebensrüstzeug für ihren extremen Lebensraum aus dem Genom einzelliger Fremdspezies übernommen hatte. Mindestens 75 Gene stammten eindeutig ursprünglich aus Bakterien und Urbakterien und erlauben es der Alge zum Beispiel sich von toxischen Schwermetallen wie Quecksilber zu entgiften oder hohe Umgebungstemperaturen besser zu überstehen. Ein derartig sinnvoller Funktionsgewinn per Genübernahme war den Forschern damals bei höher entwickelten, frei lebenden Vielzellern noch nicht bekannt gewesen.

Dabei könnten sie einen zwischen 1,2 und 1,9 Millimeter mit kleinen, ursprünglich in Afrika heimischen Borkenkäfern übersehen haben. Der Kaffeekirschenkäfer ist der auf der Welt am weitesten verbreitete Kaffeeschädling und verursacht jährlich einen wirtschaftlichen Schaden in geschätzter Höhe von 500 Millionen US-Dollar. Seinen globalen Siegeszug über die Kaffeeplantagen verdankt er offenbar dem Bakteriengen, das ihm ermöglicht, Galactomannan, das in den Kaffeebeeren hauptsächlich vorkommende Kohlenhydrat, zu verdauen. Diese Fähigkeit ist eigentlich auf Bakterien beschränkt und für Insekten äußerst ungewöhnlich. Tatsächlich stießen Wissenschaftler um Ricardo Acuña im Käfergenom auf Gensequenzen, die aus Bakterien stammen mussten. Diese DNA-Abschnitte waren nämlich von eukaryotischen Transposons, das sind Sequenzen, die innerhalb der DNA ihren Standort wechseln können, umgeben. Darin sahen die Forscher einen Hinweis darauf, dass sich das Bakteriengen in das Käfergenom integriert hatte. Bestätigt sich ihre Annahme, wären diese im Jahr 2012 publizierten Ergebnisse der erste Nachweis eines Gentransfers von einem niederen auf einen höheren Organismus.

Die Frage, wie fremde Gene in Zellen und sogar ins Genom gelangen können, beschäftigt seitdem die Wissenschaftler. Normalerweise ist das Erbgut von Mehrzellern gegen äußere Einflüsse gut geschützt, ein Anbau fremder Gene ist zudem nicht ohne Weiteres möglich. Den entscheidenden Hinweis auf die Antwort lieferten Rädertierchen. Den Tardigraden nicht unähnlich, bevölkern diese transparenten 0,1 bis 0,5 Millimeter langen Tierchen viele verschiedene Lebensräume. Sie sind auf dem Land, in Bäumen in feuchtem Moos ebenso heimisch wie im Meer oder Süßgewässern und sind ähnlich robust gegen Gamma-Strahlung und Austrocknung. Und Letzteres könnte der Schlüssel zur Integration fremder Gene sein, so das Ergebnis einer 2013 veröffentlichten Studie vom Marine Biological Laboratory Massachusetts.

Die Forschergruppe von Jean-François Flot hatte Hinweise darauf gefunden, dass die Zellmembranen der Rädertierchen in Phasen der Austrocknung porös und für Makromoleküle wie Fremd-DNA durchlässig werden. Außerdem zerbrechen ihre DNA-Moleküle unter diesen Bedingungen – durch den Beschuss mit Gamma- oder UV-Strahlen begünstigt – in viele kleine Stücke. Wenn die Tierchen wieder rehydrieren, könnte das die Gelegenheit sein, fremde DNA, zum Beispiel von Bakterien, Pilzen oder Mikroalgen aus dem Verdauungstrakt oder der Umgebung, in das Genom aufzunehmen, vermutete Irina Arkhipova, eine Mitautorin der Studie damals. Die eingeschleusten Erbgutschnipsel müssten dann beim Zusammenfügen des eigenen Genoms nur irgendwie dazwischengeraten.

Die Ergebnisse der aktuellen Bärtierchen-Studie stützen diese Hypothese. Nach längerer Austrocknung und Bestrahlung in hohen Dosen, kommt es bei ihrer DNA zu einer Häufung von Doppelstrangbrüchen, die nach Bewässerung – ohne äußeres Zutun – fast vollständig behoben waren. Das nötige Reparaturwerkzeug dazu, so genannte KU-Proteine, wird von Genen exprimiert, die überwiegend fremder Quelle stammen, berichten die Forscher. Sechs der acht Reparaturgene waren eindeutig ursprünglich bakteriellen Ursprungs. Mit den aktuellen Forschungsergebnissen dürfte der Mechanismus des horizontalen Gentransfers bei Metazoen weitgehend aufgeklärt sein.

145 menschliche Gene von Einzellern übernommen

Auch der Mensch hat offenbar im Lauf der Evolution Gene durch horizontalen Gentransfer übernommen. Zu diesem Ergebnis hatte zuletzt eine Studie einer Forschergruppe um Alastair Crisp von der University of Cambridge geführt. Die britischen Forscher fanden bis zu 145 der 20 000 bis 23 000 Gene im menschlichen Erbgut, die vermutlich ursprünglich von anderen Organismen wie Bakterien oder Pilzen sowie von Viren stammen. Viele davon haben wichtige Funktionen, berichteten die Forscher. Zum Beispiel spielen sie eine Rolle beim Fettstoffwechsel oder bei Immunreaktionen, auch das Gen für Blutgruppen nach dem AB0-System gehöre dazu.

Anders als bei Einzellern ist dabei der Mechanismus des horizontalen Gentransfers noch ungeklärt. Vermutlich spielen bei der Übertragung Viren eine entscheidende Rolle. Sie besitzen ausgefeilte Techniken um Körperzellen oder Einzeller zu entern und Erbgut in sie einzuschleusen. Neben funktionslosen Genabschnitten könnten so im Lauf der Evolution auch hilfreiche Gene in den Menschen gelangt sein. Dieser Prozess halte bis heute an und sei sehr viel umfangreicher als erwartet, vermuteten die Forscher damals. Als das menschliche Genom 2001 vollständig sequenziert war, hatte man bereits viele Fremdgene entdeckt, die man allerdings samt und sonders als Verunreinigungen der Proben abtat. Wahrscheinlich lohnt es sich, diese Verschmutzungen noch einmal genauer unter die Lupe zu nehmen.

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