Die Evolution ist die Grundlage der biologischen Vielfalt und wird durch Mechanismen angetrieben, die es Organismen ermöglichen, sich anzupassen und zu überleben. Ein solcher Mechanismus ist die Polyploidie, bei der Organismen zusätzliche Kopien ihres Genoms tragen. Während Polyploidie für genetische Redundanz sorgt, indem sie Mutationen zulässt, ohne das Überleben zu beeinträchtigen, kann sie auch den evolutionären Fortschritt verlangsamen, indem sie nützliche Mutationen verwässert.
Dieses Paradox beschäftigt Wissenschaftler seit vielen Jahren, und eine aktuelle Studie des Earth-Life Science Institute (ELSI) am Institute of Science Tokyo bietet neue Einblicke in die Rolle der Polyploidie in der Evolution.
Unter der Leitung von Tetsuhiro Hatakeyama, dem speziell ernannten außerordentlichen Professor des ELSI, und mit Beiträgen des Mitautors, außerordentlichen Professors der Tokyo Metropolitan University Ryudo Ohbayashi, kombiniert die Studie theoretische Modelle und biologische Beobachtungen, um zu untersuchen, wie Polyploidie die genetische Varianz und Evolution beeinflusst.
Die des Teams Erkenntnissedie in erscheinen PRX-Lebenlegen nahe, dass Polyploidie sowohl ein Hindernis als auch ein Treiber für evolutionäre Veränderungen sein kann, je nachdem, wie innovative Evolution zur Anpassung an die Umwelt erforderlich ist.
Hatakeyamas Interesse an Polyploidie geht auf seine frühen Arbeiten in der Molekularbiologie während seines Masterstudiums zurück, in denen er Cyanobakterien experimentell untersuchte. Damals fragte er sich, warum diese Organismen mehrere Kopien ihres Genoms hatten. Obwohl er das Rätsel nicht lösen konnte, führten seine späteren Arbeiten in der theoretischen Physik dazu, dass er und Ohbayashi nach über 15 Jahren eine Antwort vorschlugen.
Hatakeyama erklärt: „Wir haben ein theoretisches Modell in der einfachsten Form erstellt, die wir uns vorstellen können, und anhand dieses Modells haben wir herausgefunden, dass Polyploidie die Evolution in stabilen Umgebungen verlangsamt, in denen eine schrittweise Evolution erforderlich ist, aber evolutionäre Innovationen vorantreibt, die zur Anpassung an extreme Bedingungen erforderlich sind.“
Die Studie unterscheidet zwischen glatten Fitnesslandschaften, in denen sich der Phänotyp der Organismen allmählich ändert, und rauen Landschaften, in denen Organismen erhebliche phänotypische Veränderungen durchlaufen müssen, um zu überleben. Polyploide Organismen entwickeln sich in den glatten Fitnesslandschaften aufgrund der geringeren genetischen Varianz langsamer, was es für nützliche Mutationen schwieriger macht, sich durchzusetzen.
Ohbayashi fügt hinzu: „In rauen Landschaften beschleunigt Polyploidie jedoch die Entwicklung neuer Merkmale, indem sie die Wahrscheinlichkeit erheblicher genetischer Veränderungen erhöht.“
Die Forscher gehen davon aus, dass sich zwei große Evolutionstheorien – Fishers grundlegendes Theorem der natürlichen Selektion und Susumu Ohnos Neofunktionalisierung durch Genduplikation – nicht gegenseitig ausschließen. Stattdessen spielen beide Theorien eine entscheidende Rolle, je nachdem, ob seltene evolutionäre Ereignisse zum Überleben erforderlich sind.
Ein Schlüsselmechanismus hinter dieser beschleunigten Evolution ist die „Schiefe“ – die voreingenommene Verteilung genetischer Informationen über mehrere Kopien von Genomen. Dies ermöglicht es polyploiden Zellen, vorteilhafte Mutationen in einigen Genomen zu beherbergen und gleichzeitig die allgemeine Fitness aufrechtzuerhalten, was die Entwicklung neuer Merkmale erleichtert, ohne das Überleben zu gefährden.
Die Studie leistet Pionierarbeit bei der Anwendung der Theorie großer Abweichungen, einem Konzept, das seltene Ereignisse erklärt. Es zeigt, wie seltene, aber bedeutende evolutionäre Veränderungen bei polyploiden Organismen wahrscheinlicher sind, indem es den Beitrag verzerrter Informationen zu seltenen evolutionären Ereignissen erklärt.
Die Ergebnisse sind besonders relevant für die Untersuchung von Mikroben, die in extremen Umgebungen leben, von denen viele polyploid sind. Darüber hinaus können diese Erkenntnisse dazu beitragen, zu erklären, warum Polyploidie für die Anpassung an raue Bedingungen von Vorteil ist, und bieten wertvolle Implikationen für Bereiche wie Gentechnik, industrielle mikrobielle Produktion, Arzneimittelresistenz und Krebsbehandlung.
Die Forschung verbindet theoretische und empirische Perspektiven für Hatakeyama und vertieft unser Verständnis der evolutionären Rolle der Polyploidie.
„Diese Forschung beleuchtet, wie Polyploidie die Evolution beeinflusst und bereitet die Voraussetzungen für zukünftige Anwendungen in Bereichen wie Technik und Medizin“, sagt er.
Die Studie weist auch auf die Bedeutung der experimentellen Überprüfung hin. Zukünftige Forschungen müssen die theoretischen Modelle testen, und möglicherweise wird weiter untersucht, wie andere Mechanismen über die Polyploidie hinaus evolutionäre Innovationen vorantreiben.
Mit Blick auf die Zukunft betonen die Forscher die Bedeutung experimenteller Studien zur Validierung ihres Modells.
Hatakeyama kommt zu dem Schluss: „Diese Studie verbindet theoretische Physik und Evolutionsbiologie und beleuchtet das Zusammenspiel von genetischer Architektur und Anpassungsfähigkeit mit Anwendungen, die von Mikroorganismen bis hin zu Krebszellen reichen.“
Weitere Informationen:
Tetsuhiro S. Hatakeyama et al., Evolutionäre Innovation durch Polyploidie, PRX-Leben (2024). DOI: 10.1103/PRXLife.2.043021