Wie die egoistischen Gene der Hefe erfolgreich sind

Neue Erkenntnisse des Stowers Institute for Medical Research liefern wichtige Erkenntnisse darüber, wie ein gefährliches egoistisches Gen – das als parasitärer Teil der DNA gilt – funktioniert und überlebt. Das Verständnis dieser Dynamik ist eine wertvolle Ressource für die breitere Gemeinschaft, die meiotische Antriebssysteme untersucht.

Eine neue Studie, erschienen in PLoS-Genetik am 7. Dezember 2022, enthüllt, wie ein egoistisches Gen in Hefe eine Gift-Gegenmittel-Strategie verwendet, die seine Funktion ermöglicht und wahrscheinlich seinen langfristigen evolutionären Erfolg erleichtert hat. Diese Strategie ist eine wichtige Ergänzung für Wissenschaftler, die ähnliche Systeme untersuchen, einschließlich Teams, die synthetische Antriebssysteme für die Bekämpfung pathogener Schädlinge entwickeln. Kollektive und kooperative Fortschritte beim Verständnis eines solchen Antriebs können eines Tages zur Ausrottung von Schädlingspopulationen führen, die Nutzpflanzen oder sogar Menschen im Falle von durch Vektoren übertragenen Krankheiten schädigen.

„Es ist ziemlich gefährlich für ein Genom, ein Protein zu kodieren, das den Organismus töten kann“, sagte Stowers Associate Investigator Sarah Zanders, Ph.D. „Das Verständnis der Biologie dieser egoistischen Elemente könnte uns jedoch helfen, synthetische Treiber zu entwickeln, um natürliche Populationen zu verändern.“

Treiber sind egoistische Gene, die sich in einer Population schneller ausbreiten können als die meisten anderen Gene, ohne dem Organismus zu nützen. Frühere Forschungen des Zanders-Labors ergaben, dass ein Treibergen in Hefe, wtf4, Giftprotein produziert, das in der Lage ist, alle Nachkommen zu zerstören. Für das Chromosomenpaar einer bestimmten Elternzelle wird der Antrieb jedoch erreicht, wenn wtf4 nur auf einem Chromosom gefunden wird. Der Effekt ist eine gleichzeitige Rettung nur der Nachkommen, die das Drive-Allel erben, indem eine Dosis eines sehr ähnlichen Proteins abgegeben wird, das dem Gift, dem Antidot, entgegenwirkt.

Aufbauend auf dieser Arbeit entdeckte die Studie unter der Leitung der ehemaligen Doktorandin Nicole Nuckolls, Ph.D., und der derzeitigen Doktorandin Ananya Nidamangala Srinivasa im Zanders-Labor, dass Unterschiede im Zeitpunkt der Erzeugung von Gift- und Gegenmittelproteinen aus wtf4 und ihrer Einzigartigkeit bestehen Verteilungsmuster innerhalb der sich entwickelnden Sporen sind grundlegend für den Triebprozess.

Das Team hat ein Modell entwickelt, das sie weiterhin untersuchen, wie das Gift die Spore abtötet – das Äquivalent eines menschlichen Eies oder Spermas in Hefe. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Giftproteine ​​anhäufen und möglicherweise die ordnungsgemäße Faltung anderer Proteine ​​stören, die für die Funktion der Zelle erforderlich sind. Da das wtf4-Gen sowohl Gift als auch Gegenmittel kodiert, ist das Gegenmittel in seiner Form sehr ähnlich und gruppiert sich mit dem Gift. Das Gegenmittel hat jedoch einen zusätzlichen Teil, der die Gift-Gegenmittel-Cluster zu isolieren scheint, indem er sie zum Mülleimer der Zelle, der Vakuole, bringt.

Um zu verstehen, wie egoistische Gene während der Reproduktion funktionieren, untersuchten die Forscher den Beginn der Sporenbildung und fanden Giftprotein, das in allen sich entwickelnden Sporen und dem sie umgebenden Beutel exprimiert wird, während das Gegengiftprotein im gesamten Beutel nur in geringer Konzentration zu sehen war. Später in der Entwicklung wurde das Gegenmittel innerhalb der Sporen angereichert, die wtf4 von der Hefe-Elternzelle geerbt hatten.

Die Forscher fanden heraus, dass Sporen, die das Treibergen geerbt hatten, zusätzliches Gegengiftprotein innerhalb der Spore herstellten, um das Gift zu neutralisieren und ihr Überleben zu sichern.

Das Team entdeckte auch, dass ein bestimmter molekularer Schalter, der viele andere Gene steuert, die an der Sporenbildung beteiligt sind, auch die Expression von Gift, aber nicht von Gegenmitteln, aus dem wtf4-Gen steuert. Der Schalter ist für die Hefevermehrung unerlässlich und untrennbar mit wtf4 verbunden, was erklärt, warum dieses egoistische Gen so erfolgreich darin ist, allen Versuchen des Wirts, den Schalter zu deaktivieren, auszuweichen.

„Einer der Gründe, warum wir glauben, dass diese Dinger schon so lange bestehen – sie haben diese hinterhältige Strategie angewendet, denselben wesentlichen Schalter auszunutzen, der die Hefereproduktion einschaltet“, sagte Nidamangala Srinivasa.

„Wenn wir diese DNA-Parasiten so manipulieren könnten, dass sie in Moskitos exprimiert werden, und ihre Zerstörung vorantreiben könnten, könnte dies ein Weg sein, Schädlingsarten zu kontrollieren“, sagte Nuckolls.

Weitere Autoren sind Anthony Mok, María Angélica Bravo Núñez, Ph.D., Jeffery Lange, Ph.D., Todd J. Gallagher und Chris W. Seidel, Ph.D.