Forscher zeigen, dass mobile Elemente im Genom herumtollen

Paviane (Papio) kommen auf dem gesamten afrikanischen Kontinent vor, von Westen nach Osten und bis in den Süden. Sie haben hundeähnliche Nasen, beeindruckende Zähne und ein dickes Fell, dessen Farbe zwischen den sechs Arten Oliv, Gelb, Chacma, Kinda, Guinea und Hamadryas stark variiert. Ihre Lebensräume reichen von Savannen und Buschland bis hin zu tropischen Wäldern und Bergen.

Chacma-Paviane, die größten mit einem Gewicht von bis zu 100 Pfund, kommen sogar in der Kalahari-Wüste vor, während die benachbarten Kinda-Paviane, die kleinsten mit etwa 30 Pfund, in der Nähe von Wasser bleiben. Die meisten leben in großen Truppen mit Dutzenden oder Hunderten von Mitgliedern. Während die meisten Paviane polygynandrisch sind und Männchen und Weibchen sich mit mehreren Partnern paaren, leben Hamadryas-Paviane, auch heilige Paviane genannt, ausschließlich in Einheiten aus einem Männchen und mehreren Weibchen.

In einem heute in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel WissenschaftMit dem Titel „Genome-wide Coancestry Reveals Details of Ancient and Recent Male-driven Reticulation in Pavians“ zeigen Forscher überraschende Mengen genetischer Vermischung zwischen Pavianarten, was wahrscheinlich auch bei frühen Menschen vorkam. Mark Batzer, Boyd-Professor und Dr. Mary Lou Applewhite Distinguished Professor für Biowissenschaften an der LSU; Jessica Storer, Ph.D., Batzers ehemalige Studentin an der LSU und jetzt wissenschaftliche Mitarbeiterin; und Jerilyn Walker, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der LSU, trugen alle zur Forschung bei. Gemeinsam analysierten sie die mobilen oder „transponierbaren“ genetischen Elemente in Proben von 225 Pavianen aus 19 geografischen Standorten.

„Jeder glaubt, sein Genom sei vollkommen stabil, und das ist völlig falsch“, sagte Batzer. „Weit mehr als die Hälfte des Genoms ist von Natur aus fließend und bewegt sich in und zwischen Individuen sowie zwischen Generationen und Populationen. Dieser mobile Teil des Genoms, oder Mobilom, liefert wichtige Hinweise darauf, wie verschiedene Arten miteinander verwandt sind, wie.“ Sie unterscheiden sich und wenn zwei Individuen einen gemeinsamen Vorfahren haben.

Die Sequenzierung des gesamten Genoms hat die Menge und Detailgenauigkeit der genetischen Vielfalt, die Forschern nun zur Untersuchung zur Verfügung steht, revolutioniert. Während die LSU-Forscher zuvor einige hundert mobile Elemente oder „springende Gene“ untersucht hatten, hauptsächlich vom Alu- und L1-Typ, konnten sie nun über 200.000 Elemente rechnerisch analysieren und damit frühere Studien bestätigen und erweitern. Das breitere Forschungskonsortium umfasst mehr als 30 Mitarbeiter auf der ganzen Welt und wurde von Jeffrey Rogers, außerordentlicher Professor für Molekular- und Humangenetik am Baylor College of Medicine, geleitet.

„Es gibt Fragen, die zu Beginn meiner Tätigkeit noch Science-Fiction waren und jetzt durchaus verständlich sind“, sagte Batzer. „Außerdem kehren wir zu dieser grundlegenden Frage zurück: ‚Was ist überhaupt eine Art?‘ Als ich ein junger Wissenschaftler war, bedeutete das reproduktive Isolation; kein Austausch von Genen hin und her, und Individuen verschiedener Arten bildeten unfruchtbare Hybriden. Nun, dieses ganze Konzept hat sich weiterentwickelt, und was wir jetzt sehen, ist ein freier Austausch von Genen hin und her sowohl in der Antike als auch in jüngerer Zeit. Mit anderen Worten: Es gab keine lineare Entwicklung genetisch isolierter Arten, die sich im Laufe der Zeit veränderten.“

Mobile, transponierbare Elemente verursachen eine Untergruppe aller genetischen Mutationen, die als strukturelle genetische Varianten bekannt sind, eine der wichtigsten Mutationsarten im Genom. Daher sind mobile Elemente für einen Teil der genetischen Vielfalt verantwortlich, jedoch nicht für alle Unterschiede. Auch ihre Aktivität oder Bewegungsgeschwindigkeit ist je nach Art unterschiedlich, auch zu unterschiedlichen Zeiten. Während Paviane derzeit im „Schnellvorlauf“ sind, befinden sich beispielsweise Orang-Utans fast in einer Pause. Der Mensch liegt irgendwo dazwischen.

„Man kann sagen, dass mobile Elemente wie Alu und L1 an einem genetischen Wettrüsten oder Wettbewerb innerhalb des Genoms beteiligt sind“, sagte Batzer. „Die mobilen Elemente versuchen, sich zu vermehren, während das Genom die Kontrolle über diese Expansion ausübt, damit die Elemente das Genom nicht „überrennen“ und so viel Schaden anrichten, dass die Gefahr besteht, dass der Wirt stirbt. Einige mobile Elemente sind entfernte Verwandte von Viren, Daher sind einige der Kontrollsysteme dieselben, die die Ausbreitung von Viren kontrollieren.“

Offensichtliche Ähnlichkeiten, beispielsweise zwischen zwei Individuen derselben Art, können überraschende Mengen an genetischer Vielfalt verschleiern, da ein Pavian – genetisch gesehen – fast genauso viel gemeinsam mit einem Pavian einer anderen Art haben kann. Die Forscher konnten außerdem zum ersten Mal an nichtmenschlichen Primaten zeigen, wie die gelben Paviane im Westen Tansanias genetischen Input von drei verschiedenen Abstammungslinien erhielten – gelb, oliv und Kinda.

„Dies war das erste Mal, dass wir gesehen haben, wie drei verschiedene Arten zur Entstehung einer einzigen beitragen, und zwar im Detail“, sagte Batzer. „Diese hochauflösenden Datensätze ermöglichen es uns, viel genauere und detailliertere Schlussfolgerungen aus den von uns gemachten Beobachtungen zu ziehen.“

Paviane und Menschen haben etwa 91 Prozent identischer DNA. Während die Unterschiede zwischen Menschen relativ gering sind, sind Paviane genetisch vielfältiger. Größere mobile Elemente, sogenannte LINE-Elemente, wie z. B. L1, tragen eine enzymatische Maschinerie mit sich herum, die ihnen hilft, und die kleineren Alu-Elemente mobilisieren und treiben Veränderungen bei Säugetieren (L1) und Primaten (Alu) voran.

Mobile und transponierbare Elemente sind an sich vielfältig und „umspielen“ effektiv die Genome aller Primaten, einschließlich des Menschen, sowie anderer Arten. Die Prozesse, durch die sie das Genom beeinflussen, werden Insertionsmutagenese, Transduktion und Rekombination genannt. Die Verfolgung der Einfügungen, die Batzers Spezialität ist, bietet zwei Vorteile bei der Feststellung einer gemeinsamen oder getrennten Abstammung.

Erstens stellt das Vorhandensein eines mobilen Elements an einer bestimmten Stelle im Genom eine Identität durch Abstammung dar; Die Wahrscheinlichkeit einer genauen Übereinstimmung ohne gemeinsame Abstammung ist nahezu vernachlässigbar. Zweitens ist es möglich, Einfügungen bis zu dem Punkt zurückzuverfolgen, an dem sie zum ersten Mal auftraten, und so den genetischen Charakterzustand der Vorfahren festzustellen und Artenbeziehungen eindeutig zu verankern.

„Wir glauben mittlerweile, dass mobile Elemente eine der größten treibenden Kräfte sind, die sich auf das Genom auswirken, und zwar nicht nur bei Primaten, sondern auch bei vielen Säugetieren und vielen Nicht-Säugetier-Systemen“, sagte Batzer.

Als nächstes wird das LSU-Forschungsteam die Mobilisierung und genomische Auswirkung eines kürzlich identifizierten transponierbaren Elements bei südamerikanischen Primaten untersuchen.