Besonderheiten des keimbahnbeschränkten Chromosoms von Singvögeln

In mehrzelligen Organismen enthalten normalerweise alle Zellen eines Individuums die gleichen genetischen Informationen und die Zelldifferenzierung wird durch die Regulierung der Genexpression erreicht. Es gibt jedoch Ausnahmen, bei denen statt der Stummschaltung bestimmte Sequenzen dauerhaft aus dem Genom gelöscht werden. Ein interessantes Beispiel für diese programmierte DNA-Eliminierung wurde bei Singvögeln beschrieben, bei denen zu Beginn der Embryonalentwicklung ein ganzes Chromosom aus somatischen Zellen verloren geht und nur in den Keimzellen erhalten bleibt.

In einem Artikel, der gerade in der Zeitschrift veröffentlicht wurde NaturkommunikationDas Team um Radka Reifová vom Institut für Zoologie der Karls-Universität mit Stephen Schlebusch als Erstautor sequenzierte zusammen mit anderen Forschern dieses Chromosom in zwei eng verwandten Singvogelarten und lieferte damit einen der ersten Einblicke in die Bedeutung und Evolutionsdynamik von dieses eigenartige Chromosom.

Das treffend benannte Keimbahn-beschränkte Chromosom (GRC) wurde erstmals vor 25 Jahren beim Zebrafinken (Taeniopygia guttata) beschrieben. Jüngste Studien deuten jedoch darauf hin, dass es wahrscheinlich bei allen Singvögeln vorkommt, der größten und vielfältigsten Vogellinie, die etwa 50 % aller modernen Vogelarten umfasst. „Das GRC ist ein seltsames und in vielerlei Hinsicht widersprüchliches Chromosom“, sagt Schlebusch, Postdoc in der Forschungsgruppe von Radka Reifová.

Einerseits weist es eine relativ instabile mitotische und meiotische Vererbung auf und kann in den männlichen und weiblichen Keimzellen in variabler Kopienzahl vorhanden sein. Es variiert auch stark in der Größe und ist bei einigen Arten eines der größten Chromosomen in der Zelle, während es bei anderen Arten ein winziges Mikrochromosom ist. Diese Größenänderung kann innerhalb sehr kurzer Evolutionszeiten erfolgen (Abbildung 1).

Andererseits ist das GRC über mehr als 47 Millionen Jahre der Evolution der Singvögel erhalten geblieben, was darauf hindeutet, dass es sich nicht nur um ein bloßes parasitäres Chromosom handelt, sondern eine wesentliche Funktion für Vögel hat, die seinen Verlust verhindert.

Eine frühere Studie des Forschungsteams von Alexander Suh, der auch Co-Autor ist Naturkommunikation In einer Arbeit, die derzeit am Leibniz-Institut zur Analyse des Biodiversitätswandels in Deutschland arbeitet, zeigte sich, dass der GRC größtenteils aus Sequenzen besteht, die von regulären Chromosomen auf den GRC kopiert wurden.

„Das macht Versuche, dieses Chromosom zu sequenzieren, zu einer Herausforderung, da es schwierig ist, die GRC-Sequenzen von homologen Sequenzen auf regulären Chromosomen zu unterscheiden.“ sagt Alexander Suh. Aus diesem Grund wurde bis vor kurzem nur etwa 1 % der Zebrafinken-GRC erfolgreich sequenziert und zusammengesetzt.

Schlebusch und Kollegen nutzten eine neuartige Strategie und schafften es, fast das gesamte GRC aus zwei kürzlich divergierten Nachtigallarten zusammenzustellen, der Gewöhnlichen Nachtigall (Luscinia megarhynchos) und der Drossel-Nachtigall (L. luscinia). Die Ergebnisse waren überraschend. Obwohl sich die beiden Arten vor weniger als 2 Millionen Jahren auseinander entwickelten und ähnlich große GRCs aufwiesen, zeigten sie dramatische Unterschiede im genetischen Gehalt der GRCs (Abbildung 2). Dies ist bemerkenswert, da andere Vogelchromosomen selbst bei entfernt verwandten Arten stark kollinear sind.

Es wurde jedoch festgestellt, dass es sich bei den meisten Genen im GRC wahrscheinlich um nicht funktionierende, verkürzte Pseudogene handelte. „Es scheint, dass ein Funktionsverlust das Schicksal der meisten Gene ist, die auf das GRC kopiert werden, wahrscheinlich als Ergebnis eines geringen selektiven Drucks, der auf das GRC einwirkt, da es ausschließlich in der Keimbahn vorhanden ist. Sie können sich das GRC also als ein vorstellen.“ Genfriedhof“, erklärt Stephen Schlebusch.

Aber nicht alle Gene im GRC sind nicht funktionsfähig. Von etwa 30 vollständigen und möglicherweise funktionsfähigen Genen, die auf den beiden Nachtigallen-GRCs identifiziert wurden, waren etwa zwei Drittel nur bei einer der beiden Arten in der gesamten Länge vorhanden.

„Dies stellt ein reichhaltiges Substrat für die natürliche Selektion dar, um eine reproduktive Isolation zwischen den Arten zu schaffen“, sagt Radka Reifová. „Wenn bei anderen Singvogelarten ähnliche Unterschiede im genetischen Inhalt von GRC bestehen, was angesichts der beobachteten schnellen GRC-Größenveränderungen wahrscheinlich ist, könnte das GRC den Artbildungsprozess erheblich beschleunigen. Dies könnte bis zu einem gewissen Grad erklären, warum Singvögel im Vergleich zu Singvögeln relativ mehr Arten haben andere Vogellinien.

Interessanterweise gab es nur ein Gen, ein Paralog von cpeb1 (zytoplasmatisches Polyadenylierungselement-Bindungsprotein 1), das in beiden Nachtigallenarten im GRC vorhanden war, keine Variation der Kopienzahl zwischen Individuen und Arten aufwies und in allen eine vollständige kodierende Region aufwies untersuchte Personen. Dieses Gen wurde auch beim Zebrafinken-GRC identifiziert. Die Forscher schätzten, dass es vom GRC zu einem frühen Zeitpunkt der Singvogelentwicklung erworben wurde. Damit ist dieses Gen eines der ältesten im GRC identifizierten Gene und ein guter Kandidat für die funktionelle Unentbehrlichkeit des GRC bei Singvögeln.

Cpeb1 kodiert für ein mRNA-bindendes Protein, das die Genexpression während der Eizellenreifung und der frühen Embryonalentwicklung reguliert. In diesen Stadien ist die Transkription im Allgemeinen zum Schweigen gebracht und die Proteinsynthese hängt weitgehend von der Regulierung der Übersetzung gespeicherter Transkripte ab, die durch cpeb1 gesteuert wird. „Obwohl die Funktion des cpeb1-Paralogs auf dem GRC des Singvogels unbekannt ist, können wir spekulieren, dass es sich auf die oozytenspezifische Funktion spezialisiert haben könnte, während die cpeb1-Kopie auf den A-Chromosomen ihre ursprünglichen Funktionen in somatischen Zellen behält“, sagen die Autoren der Studie.

Die vom Team beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass es sich beim GRC um ein turbulentes und sich schnell entwickelndes Chromosom handelt, das häufig große Abschnitte von Sequenzen erwirbt und verliert, die von regulären Chromosomen dupliziert werden, scheinbar ohne Auswirkungen auf die Fitness des Organismus. Sobald sie im GRC sind, scheinen die meisten Gene relativ schnell ihre Funktion zu verlieren, da die Beschränkung auf die Keimbahn ihre Expression häufig verhindert.

Auf diesem „Genfriedhof“ gibt es jedoch wahrscheinlich eine kleine Ahnenregion, die Gene beherbergt, die den Fortbestand des Chromosoms in der Singvogellinie bestimmen. „Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie werden es uns ermöglichen, mehr Arten zu sequenzieren und qualitativ hochwertigere Zusammenstellungen zu erzielen, die es uns ermöglichen werden, diese gemeinsame Region zu identifizieren, die für alle Singvögel lebenswichtig ist“, schließen Schlebusch und Reifová.