Einleitung
Der winzige goldene Mantella-Frosch thront auf einem Blatt im Regenwald und birgt ein Geheimnis. Er teilt dieses Geheimnis mit dem Gabelzungenfrosch, dem Rohrfrosch und unzähligen anderen Fröschen in den Hügeln und Wäldern des Inselstaates Madagaskar sowie mit den Boas und anderen Schlangen, die ihnen nachjagen. Auf dieser Insel, von der viele Tierarten nirgendwo sonst vorkommen, machten Genetiker kürzlich eine überraschende Entdeckung: Im Erbgut der Frösche ist ein Gen eingestreut, BovB, die anscheinend von Schlangen stammten.
Nachdem sie über Genome von Frosch- und Schlangenarten auf der ganzen Welt gebrütet hatten, berichteten die Wissenschaftler im April in ein Papier in Molekularbiologie und Evolution dass dieses Gen mindestens 50 Mal auf der ganzen Welt von Schlangen zu Fröschen gereist ist. Aber in Madagaskar hat es sich mit verblüffender Promiskuität in Frösche eingeschlichen: 91 % der dort beprobten Froscharten haben es. Irgendetwas scheint Madagaskar zu einem außergewöhnlich günstigen Ort für das Gen zu machen, um mobil zu werden.
Wann Atsushi Kurabayashi, ein außerordentlicher Professor am Nagahama Institute of Bio-Science and Technology und der leitende Autor des neuen Papiers, als er zum ersten Mal die Schlangenversion des Gens in Fröschen sah, war er verwirrt. Er fragte einen Kollegen, der auf Genomik spezialisiert ist, danach, und der Kollege rief sofort: „Das muss ein horizontaler Transfer sein!“ — die Übertragung eines Gens von einer Art auf eine andere, im Gegensatz zur vertikalen Vererbung von Genen durch ein Kind von einem Elternteil.
Dieser Ausbruch schickte Kurabayashi auf die Spur eines Phänomens, das einst als äußerst selten galt, obwohl der Aufstieg der besseren Genomsequenzierung Biologen dazu veranlasst, diese Meinung neu zu bewerten. Und dieses neue Papier, das zeigt, dass die horizontale Übertragung von Genen an einigen Orten wahrscheinlicher ist als an anderen, verkompliziert die Geschichte noch mehr. Es deutet darauf hin, dass Forscher bei der Suche nach Erklärungen für horizontale Übertragungen möglicherweise über einfache genetische Mechanismen hinaus auf die ökologischen Kontexte schauen müssen, in denen Arten leben. Genomiker haben immer noch Mühe zu verstehen, wie häufig oder selten horizontale Übertragungen in komplexen Organismen sind, aber einige Orte, wie Madagaskar, könnten für sie Hotspots sein.
Einleitung
Wenn Gene wandern
Horizontaler Transfer ist bei Bakterien alltäglich. Die wimmelnden einzelligen Organismen, die fast jeden Winkel auf dem Planeten bevölkern, nehmen Gene aus ihrer Umgebung so leicht auf, wie eine Fusselbürste Katzenhaar aufnimmt. Das ist einer der Gründe, warum bakterielle Resistenzen gegen Antibiotika weit verbreitet sind: Schutzgene werden leicht weitergegeben, und die natürliche Selektion sorgt dafür, dass die resistenten Bakterien ihre Nachbarn überflügeln und ihre Gene an die nächste Generation weitergeben. Bakterien tauschen Gene so leicht aus, dass einige Wissenschaftler sogar vorgeschlagen haben, dass sich Bakterien bilden ein Netz verwandten Lebens eher als ein verzweigter Stammbaum.
Die Zellen eukaryotischer Organismen wie Menschen, Frösche und Schlangen sind jedoch anders. Ihr Zellkern wirkt meist wie eine Festung zum Schutz des Erbguts. Die DNA wird sorgfältig aufgewickelt und in der Bibliothek dieser Zitadelle aufbewahrt, wobei Enzyme nur die Gene hervorrufen, die sie zu einem bestimmten Zeitpunkt untersuchen müssen. Die Zelle ist vollgepackt mit Ausfallsicherungen, um Schäden an ihrer DNA zu verhindern und Verschleiß zu reparieren. Wenn das Genom wie ein unbezahlbares illuminiertes Manuskript ist, tragen seine Bibliothekare Schwerter.
Dennoch sickern immer wieder Beispiele horizontaler Gentransfers mit Eukaryoten in die wissenschaftliche Literatur ein. Heringe und Schmelzen, nicht verwandte Fische, die in den eisigen Gewässern der Arktis, des nördlichen Pazifiks und des nördlichen Atlantiks schwimmen, haben genau das gleiche Gen für ein Protein, das ihr Blut vor dem Einfrieren bewahrt; es ist wahrscheinlich von Heringen in Schmelzen gesprungen. Laurie Graham, eine Molekularbiologin an der Queen's University in Kanada, und ihre Kollegen berichteten letztes Jahr darüber; Ihre Ergebnisse waren so kontraintuitiv, dass Graham Schwierigkeiten hatte, die Arbeit zu veröffentlichen.
Ebenso der Evolutionsbiologe Etienne GJ Danchin und seine Kollegen am National Research Institute for Agriculture, Food and Environment in Frankreich studieren eine Reihe von Enzymen die Nematodenwürmer von Bakterien bekommen haben. Und über 100 Genfamilien scheinen vor langer Zeit von Mikroben zu Pflanzen gesprungen zu sein, schrieb Jinling Huang der Eastern Carolina University und Kollegen in einer Zeitung in diesem Jahr.
Es gibt wunderbar klare Gründe, warum die Evolution über einige dieser unwahrscheinlichen Übertragungen lächelte. Die Fische mit dem Gen frieren nicht. Die Verdauungsenzyme der Nematoden ermöglichen es ihnen, den Zellwänden der Pflanzen, die sie fressen, mehr Energie zu entziehen. Wegen eines Clusters von Enzymen, die von Bakterien aufgenommen wurden, untersuchte der Evolutionsbiologe die in heißen Quellen lebenden Rotalgen Debashish Bhattacharya und sein Schüler Julia van Etten an der Rutgers University können den Kontakt mit Substanzen überleben, die sie sonst töten würden. Wenn ein Gen das Überleben fördert, dauert es nicht lange, bis die Nachkommen des ersten Organismus, der es erworben hat, übernehmen.
Nicht alle diese wandernden Gene vermitteln jedoch zwangsläufig einen Vorteil. BovB ist ein bekanntes Transposon, ein Stück genetisches Material, das dazu neigt, zufällig im Genom herumzuspringen. In gewisser Weise sind seine Sprünge von Schlangen zu Fröschen in Madagaskar – wie auch immer sie sich ereigneten – nur bizarr größere Sprünge als gewöhnlich. Darüber hinaus können zwar Transposons aufweisen tiefgreifende Auswirkungen auf Genome, BovB ist kein Gen mit einer Funktion im herkömmlichen Sinne; es ist nur ein bisschen DNA, das Kopien von sich selbst macht. Kurabayashi stellt fest, dass dies zwar möglich ist BovB Vorteile für die Frösche sind nicht auszuschließen, eher wahrscheinlich BovB durch seinen eigenen aggressiven Erfolg bei der Selbstverdopplung fortbesteht. Dies könnte helfen zu erklären, warum Eukaryoten, wenn sie mit dem genetischen Material anderer Organismen landen, Transposons wie BovB sind oft dabei.
So seltsam es scheinen mag, dass Eukaryoten Gene von Bakterien aufnehmen, noch seltsamer ist die Tatsache, dass Beispiele für horizontalen Gentransfer in die andere Richtung weitaus seltener sind. Aus irgendeinem Grund wollen Bakterien unsere Gene nicht. Eukaryotische Gene haben strukturelle Merkmale, die sie zu weniger als perfektem Material für Bakterien machen, aber es können auch andere Faktoren dazu beitragen.
„Vielleicht haben Eukaryoten nicht die Gene, an denen Bakterien interessiert sind“, sagte er Patrick Kieling, ein Biologe an der University of British Columbia, der horizontale Transfers untersucht.
Viral gehen
Im Gegensatz zu Bakterien haben Viren ein echtes Talent dafür, Gene von ihren eukaryotischen Wirten aufzunehmen. Viren, insbesondere die sogenannten Retroviren, verfügen über die Werkzeuge, um in die Zellen und Kerne eines Wirts einzudringen, und sie sind Meister darin, genetisches Material in Wirtsgenome einzufügen. Bis zu 8 % des menschlichen Genoms bestehen aus den Überbleibseln von Retroviren, Fragmente von lang zurückliegenden Infektionen in der Geschichte unserer Spezies.
Manchmal geht der Transfer auch in die andere Richtung. Im ein Papier veröffentlicht Natur Mikrobiologie letzten Dezember, Keeling, sein Mitarbeiter Nicolas Irwin von der University of Oxford und ihre Kollegen führten die erste umfassende Analyse horizontaler Gentransfers zwischen 201 Eukaryoten und 108,842 Viren durch. Sie fanden Hinweise auf mehr als 6,700 Gentransfers, wobei Übertragungen von Wirt zu Virus etwa doppelt so häufig sind wie Übertragungen von Virus zu Wirt. Sie kamen zu dem Schluss, dass horizontale Gentransfers auf beiden Seiten wichtige Treiber der Evolution waren: Viren nutzten oft die von ihnen erworbenen eukaryotischen Gene, um ihre Wirte effektiver zu infizieren, während Eukaryoten manchmal Elemente der viralen Gene verwendeten, um neue Merkmale zu schaffen oder ihre zu regulieren Stoffwechsel auf neue Art und Weise.
Erkenntnisse wie diese haben einige Biologen davon überzeugt, dass zumindest einige horizontale Gentransfers durch Viren erleichtert werden könnten. Wenn Viren Gene von ihren Wirten aufnehmen und Teile ihres Genoms hinterlassen können, scheint es möglich, dass sie manchmal auch Gene vom letzten Wirt, den sie infiziert haben, oder sogar von einem Wirt, der Generationen zurückliegt, übertragen und an ihn weitergeben ein neuer Wirt.
Die Beteiligung von Viren könnte auch dazu beitragen, ein weiteres Rätsel um horizontale Übertragungen bei Eukaryoten zu lösen. Damit die Übertragungen stattfinden können, müssen die reisenden Gene eine ganze Reihe von Hürden nehmen. Zunächst müssen sie von der Spenderart zur neuen Wirtsart gelangen. Dann müssen sie in den Zellkern gelangen und sich im Wirtsgenom einnisten. Aber in das Genom irgendeiner Zelle einzudringen, reicht nicht aus: Bei vielzelligen Lebewesen wie Fröschen und Heringen wird ein Gen nicht an die Nachkommen des Tieres weitergegeben, es sei denn, es kann sich in eine Keimbahnzelle einschleichen – ein Spermium oder ein Ei.
Viren könnten diese Reihe von Ereignissen wahrscheinlicher machen. Bei kleinen Organismen wie dem Fadenwurm, sagte Danchin, seien der Fortpflanzungstrakt und seine Keimzellen nicht weit vom Darmtrakt entfernt, wo sich mit der Nahrung aufgenommene Viren ansiedeln können. Da Frösche ihre Eier und Spermien ins offene Wasser abgeben, sind diese Zellen möglicherweise anfällig für Viren in der Umwelt, die Gene einschleusen könnten.
Selbst bei größeren Kreaturen könnte es einfacher sein, als Sie denken. An diesem Punkt ist es noch eine spekulative Idee, aber „der Fortpflanzungstrakt ist voller Mikroben und Viren“, sagte Danchin. „Wir wissen, dass einige Viren spezifisch Keimzellen infizieren.“
Keeling schlägt vor, dass wir, um das Mysterium des horizontalen Gentransfers zu verstehen, sie vielleicht als ökologische Folgen des Verhaltens eines Organismus, seiner Nachbarn und seiner Umwelt betrachten sollten. Ob ein horizontal übertragenes Gen einen Überlebensvorteil bringt, hängt wahrscheinlich stark von dem spezifischen Szenario ab, in dem sich der Empfänger des Gens befindet – ein eisiges Meer, eine heiße Quelle, eine appetitliche Wirtspflanze mit starken Abwehrkräften. „Sie sind so an die Ökologie gebunden, in der sich das Ding befindet, aber es ändert sich“, spekulierte er. Bei einer falschen Veränderung der Umwelt „hat das übertragene Gen keinen Vorteil mehr und geht verloren“.
Ökologische Hinweise
Horizontale Gentransfers in Eukaryoten können ständig stattfinden: im Teich in Ihrem Garten, im Boden unter Ihren Füßen, in den Tieren, Insekten und Pflanzen, aus denen das Ökosystem besteht. „Ich denke, es gibt viel mehr Transfers, als wir wissen“, sagte Bhattacharya. „Wir sehen sie einfach nicht, weil sie weggefegt sind.“
Um zu überprüfen, wie häufig Frösche Schlangen haben BovB, wandte sich das Team von Kurabayashi an seine Kollegen, um Proben von Fröschen aus der ganzen Welt für die DNA-Sequenzierung zu erhalten. Sie fanden heraus, dass von 149 Arten 50 zurückkamen BovB. Die 32 madagassischen Frösche, die sie testeten, machten weniger als ein Viertel aller untersuchten Arten aus, aber 29 von ihnen trugen das Schlangengen – eine deutliche Mehrheit aller weltweit gefundenen Transfers. Darüber hinaus haben sich mindestens zwei der Froschlinien nicht erworben BovB bis ihre Vorfahren von Afrika nach Madagaskar ausgewandert waren.
Das Interessanteste an dem Papier, sagte Graham, „ist, dass es zeigt, dass die Übertragungsrate nicht einheitlich ist. Es variiert stark zwischen den geografischen Regionen.“ Wenn weitere Studien mit dem Ziel beginnen, den Gentransfer rund um den Globus zu untersuchen – zu sehen, ob Übertragungen an verschiedenen Orten mit unterschiedlichen Raten stattgefunden haben –, könnten uns unsere Ergebnisse überraschen. Vielleicht ist die Geographie wichtiger, als wir vielleicht erwarten.
Gibt es etwas an der Umwelt Madagaskars, das es zu einem Hotspot für Gentransfers macht? Niemand weiß. Kurabayashi sagt, dass er und seine Gruppe die Schlange am stärksten vermuten BovB in Madagascar unterscheidet sich von Versionen in anderen Teilen der Welt darin, dass es nur ein bisschen besser darin ist, sich in einen neuen Host einzufügen.
Aber auch der Überfluss an Parasiten auf der Insel könnte ein Faktor sein. Zum Beispiel „in Madagaskar gibt es viele Blutegel“, sagte er Miguel Vences, Herpetologe an der Technischen Universität Braunschweig in Deutschland und Autor des neuen Artikels. „Wenn du im Regenwald bist, wirst du sie bemerken.“ Die blutsaugenden Kreaturen ernähren sich von vielen Arten von Tieren, einschließlich Fröschen und Schlangen, und sie sind sich nicht zu schade, Menschen zu probieren. Vences und seine Kollegen spekulieren, dass Blutegel Blut, das das Springgen der Schlange enthält, in die Frösche bringen könnten, oder dass sich das Springgen vielleicht bereits im eigenen Genom des Blutegels aus früheren Kontakten mit Schlangen befindet. Dann erledigt vielleicht ein nicht identifizierter Virus den Rest.
Leider ist es nicht einfach, Szenarien zu beweisen oder zu widerlegen, die beschreiben, wie solche horizontalen Übertragungen stattgefunden haben könnten. Ohne Selektion zur Erhaltung von DNA-Sequenzen neigen sie dazu, über lange Zeiträume hinweg zu mutieren und durcheinander gebracht zu werden, wodurch die molekularen Beweise einer Übertragung gelöscht werden. Und wenn ein Virus an der Übertragung beteiligt ist, kann dies von vornherein nur sehr wenige Beweise hinterlassen, sagte Graham. Forscher müssen daher fast auf frischer Tat einen genetischen Sprung erwischen, um zu wissen, wie es passiert.
Bhattacharya befindet sich in der Anfangsphase eines Projekts, das genau darauf abzielt. In den heißen Quellen am Lemonade Creek im Yellowstone-Nationalpark suchen er und seine Kollegen nach Hinweisen auf Übertragungen, die möglicherweise noch im Gange sind. Sie untersuchen die DNA von Rotalgen, die Gene von Bakterien aufgenommen haben, die ebenfalls in den Quellen leben, Gene, die sich nur geringfügig von den Originalen unterscheiden. „Wir sprechen hier nicht von vor Millionen von Jahren“, sagte Bhattacharya. „Wir sprechen von sehr ähnlicher DNA, die in zwei verschiedenen Lebensbereichen in derselben Umgebung koexistiert.“
Wenn die Wissenschaftler feststellen, dass Algen in nahe gelegenen Quellen eines dieser übertragenen Gene fehlt, dann können sie den Beginn einer Welle genetischer Veränderungen beobachten, die sich von einer benachbarten Quelle zur nächsten durch die Algen nach außen bewegt. Jeder neue heiße Pool kann eine Insel am Rande einer Transformation sein.
