Forscher entdecken einen der größten bekannten Gentransfers von Bakterien zu Tieren in einer Fruchtfliege

Ein Fruchtfliegengenom besteht nicht nur aus Fruchtfliegen-DNA – zumindest für eine Fruchtfliegenart. Neue Forschungsergebnisse des Instituts für Genomwissenschaften (IGS) der University of Maryland School of Medicine (UMSOM) zeigen, dass eine Fruchtfliegenart ganze Genome einer Art von Bakterien enthält, was diese Entdeckung zur bisher größten Übertragung von genetischem Material von Bakterien auf Tiere macht entdeckt. Die neue Forschung gibt auch Aufschluss darüber, wie dies geschieht.

Die IGS-Forscher unter der Leitung von Julie Dunning Hotopp, Ph.D., Professorin für Mikrobiologie und Immunologie an der UMSOM und der IGS, verwendeten eine neue genetische Long-Read-Sequenzierungstechnologie, um zu zeigen, wie sich Gene aus dem Bakterium Wolbachia in das Fliegengenom von bis zu 8.000 einbauen Jahre zuvor.

Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse zeigen, dass die genetische Variation im Gegensatz zu Darwins Finken oder Mendels Erbsen nicht immer klein, inkrementell und vorhersehbar ist.

Die Wissenschaftlerin Barbara McClintock identifizierte erstmals in den 1940er Jahren „springende Gene“, also solche, die sich innerhalb des Genoms anderer Arten bewegen oder in andere Arten übertragen können. Forscher entdecken jedoch weiterhin ihre Bedeutung für Evolution und Gesundheit.

„Wir hatten zuvor nicht die Technologie, um diese Genome-in-Genome eindeutig nachzuweisen, die einen so umfangreichen lateralen Gentransfer von den Bakterien auf die Fliege zeigen“, erklärte Dr. Dunning Hotopp. „Wir haben modernste Long-Read-Gensequenzierung verwendet, um diese wichtige Entdeckung zu machen.“

Die neue Studie wurde in der Juni-Ausgabe von veröffentlicht Aktuelle Biologie.

Früher mussten Forscher die DNA in kurze Stücke zerlegen, um sie zu sequenzieren. Dann mussten sie sie wie ein Puzzle zusammensetzen, um ein Gen oder einen DNA-Abschnitt zu betrachten. Die Long-Read-Sequenzierung ermöglicht jedoch die Sequenzierung von mehr als 100.000 DNA-Buchstaben und verwandelt ein Puzzle mit einer Million Teile in eines für Kleinkinder.

Zusätzlich zu den langen Lesevorgängen validierten die Forscher Verbindungen zwischen integrierten Bakteriengenen und dem Genom der Wirtsfruchtfliege. Um festzustellen, ob die Bakteriengene funktionsfähig und nicht nur DNA-Fossilien waren, sequenzierten die Forscher die RNA von Fruchtfliegen und suchten gezielt nach RNA-Kopien, die aus Vorlagen der eingefügten bakteriellen DNA erstellt wurden. Sie zeigten, dass die Bakteriengene in RNA kodiert und bearbeitet und in neu modifizierte Sequenzen umgeordnet wurden, was darauf hinweist, dass das genetische Material funktionsfähig ist.

Eine Analyse dieser einzigartigen Sequenzen ergab, dass die Bakterien-DNA in den letzten 8.000 Jahren in das Genom der Fruchtfliege integriert wurde – ausschließlich innerhalb von Chromosom 4 – und die Chromosomengröße vergrößerte, indem sie etwa 20 Prozent des Chromosoms 4 ausmachte. Die Integration des gesamten Bakteriengenoms unterstützt eine DNA-basierte eher als ein RNA-basierter Integrationsmechanismus.

Dr. Dunning Hotopp und Kollegen fanden ein vollständiges Bakteriengenom des gewöhnlichen Bakteriums Wolbachia, das in das Genom der Fruchtfliege Drosophila ananassae übertragen wurde. Sie fanden auch fast ein vollständiges zweites Genom und vieles mehr mit fast 10 Kopien einiger bakterieller Genomregionen.

„Es gab schon immer einige Skeptiker gegenüber dem lateralen Gentransfer, aber unsere Forschung zeigt zum ersten Mal klar den Mechanismus der Integration der Wolbachia-DNA in das Genom dieser Fruchtfliege“, sagte Dr. Dunning Hotopp.

„Diese neue Forschungsarbeit zeigt Grundlagenforschung von ihrer besten Seite“, sagte Dean E. Albert Reece, MD, Ph.D., MBA, der auch Executive Vice President for Medical Affairs, UM Baltimore, John Z. und Akiko K. Bowers ist Distinguished Professor und Dekan der University of Maryland School of Medicine. „Es wird einen Beitrag zu unserem Verständnis der Evolution leisten und uns vielleicht sogar helfen zu verstehen, wie Mikroben zur menschlichen Gesundheit beitragen.“

Wolbachia ist ein intrazelluläres Bakterium, das zahlreiche Insektenarten infiziert. Wolbachia überträgt ihre Gene mütterlich durch weibliche Eizellen. Einige Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Infektionen eher wechselseitig als parasitär sind und Insekten Vorteile verschaffen, wie z. B. Resistenz gegen bestimmte Viren.

Fruchtfliegen, die nur drei Jahre vor dem menschlichen Genom sequenziert wurden, werden seit langem in der Genomforschung eingesetzt, da es viele gemeinsame genetische Ähnlichkeiten zwischen Fliege und Mensch gibt. Tatsächlich sind 75 Prozent der Gene, die menschliche Krankheiten verursachen, auch in der Fruchtfliege zu finden.