Wissenschaftler entdecken neues DNA-Modifikationssystem bei Tieren, das von Bakterien mit mehr als 60 MYA eingefangen wurde

Ihre DNA enthält den Bauplan für Ihren Körper, aber sie ist ein lebendiges Dokument: Anpassungen am Design können durch epigenetische Markierungen vorgenommen werden.

Epigenetische Markierungen sind Modifikationen an DNA-Basen, die den zugrunde liegenden genetischen Code nicht verändern, sondern zusätzliche Informationen darüber „schreiben“, die zusammen mit Ihrem Genom vererbt werden können. Epigenetische Markierungen regulieren normalerweise die Genexpression – schalten Gene ein oder aus – insbesondere während der frühen Entwicklung oder wenn Ihr Körper unter Stress steht. Sie können auch „springende Gene“ unterdrücken – transponierbare Elemente, die die Integrität Ihres Genoms bedrohen.

Bei Menschen und anderen Eukaryoten sind zwei epigenetische Hauptmerkmale bekannt. Ein Team des Marine Biological Laboratory (MBL) hat eine dritte, neuartige epigenetische Markierung – eine, die früher nur bei Bakterien bekannt war – in bdelloiden Rädertierchen, kleinen Süßwassertieren, entdeckt. Über diese grundlegende und überraschende Entdeckung wird diese Woche in berichtet Naturkommunikation.

„Wir haben bereits 2008 entdeckt, dass bdelloide Rädertierchen sehr gut darin sind, fremde Gene einzufangen“, sagte die leitende Autorin Irina Arkhipova, leitende Wissenschaftlerin am Josephine Bay Paul Center des MBL. „Was wir hier gefunden haben, ist, dass Rädertierchen vor etwa 60 Millionen Jahren versehentlich ein bakterielles Gen eingefangen haben, das es ihnen ermöglichte, eine neue epigenetische Markierung einzuführen, die vorher nicht da war.“ Dies ist das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass ein horizontal transferiertes Gen das Genregulationssystem in einem Eukaryoten umgestaltet.

„Das ist sehr ungewöhnlich und wurde bisher nicht gemeldet“, sagte Arkhipova. „Horizontal übertragene Gene gelten vorzugsweise als operative Gene, nicht als regulatorische Gene. Es ist schwer vorstellbar, wie ein einzelnes, horizontal übertragenes Gen ein neues Regulationssystem bilden würde, da die bestehenden Regulationssysteme bereits sehr kompliziert sind.“

„Es ist fast unglaublich“, sagte Co-Erstautorin Irina Yushenova, eine Forscherin in Arkhipovas Labor. „Versuchen Sie sich mal vorzustellen, dass irgendwo in der Vergangenheit zufällig ein Stück bakterielle DNA mit einem Stück eukaryotischer DNA verschmolzen wurde. Beide wurden im Genom des Rädertierchens verbunden und sie bildeten ein funktionelles Enzym. Das ist nicht so einfach zu bewerkstelligen, sogar im Labor, und es geschah auf natürliche Weise. Und dann schuf dieses zusammengesetzte Enzym dieses erstaunliche Regulationssystem, und bdelloide Rädertierchen konnten damit beginnen, all diese springenden Transposons zu kontrollieren. Es ist wie Magie.

„Sie wollen nicht, dass Transposons in Ihrem Genom herumspringen“, sagte der Erstautor Fernando Rodriguez, ebenfalls Forscher in Arkhipovas Labor. „Sie werden die Dinge durcheinander bringen, also wollen Sie sie in Schach halten. Und das epigenetische System, um dies zu erreichen, ist bei verschiedenen Tieren unterschiedlich. In diesem Fall hat ein horizontaler Gentransfer von Bakterien in bdelloide Rädertierchen ein neues epigenetisches System bei Tieren geschaffen, das das tut wurde noch nie beschrieben.“

„Insbesondere bdelloide Rädertierchen müssen ihre Transposons in Schach halten, weil sie sich hauptsächlich ungeschlechtlich vermehren“, sagt Arkhipova. „Asexuelle Abstammungslinien haben weniger Möglichkeiten, die Verbreitung schädlicher Transposons zu unterdrücken, daher könnte das Hinzufügen einer zusätzlichen Schutzschicht eine Mutationsschmelze verhindern. Tatsächlich ist der Transposongehalt in bdelloiden viel geringer als in sexuellen Eukaryoten, die diese zusätzliche epigenetische Schicht nicht haben in ihrem Genom-Abwehrsystem.“

Bei den beiden bisher bekannten epigenetischen Markierungen in Eukaryoten wird eine Methylgruppe an eine DNA-Base, entweder Cytosin oder Adenin, angefügt. Die neu entdeckte Markierung des Teams ist ebenfalls eine Cytosin-Modifikation, aber mit einer deutlich bakterienähnlichen Positionierung der Methylgruppe – im Wesentlichen eine Rekapitulation evolutionärer Ereignisse vor über zwei Milliarden Jahren, als die konventionellen epigenetischen Markierungen in frühen Eukaryoten auftauchten.

Bdelloid-Rädertierchen sind extrem widerstandsfähige Tiere, wie die Labors von Arkhipova und David Mark Welch am MBL im Laufe der Jahre entdeckt haben. Sie können wochen- oder monatelang vollständig austrocknen (austrocknen) und dann wieder zum Leben erwachen, wenn Wasser verfügbar wird. Während ihrer Austrocknungsphasen zerfällt ihre DNA in viele Stücke. „Wenn sie ihre DNA-Enden rehydrieren oder anderweitig zugänglich machen, könnte dies eine Gelegenheit für fremde DNA-Fragmente von aufgenommenen Bakterien, Pilzen oder Mikroalgen sein, in das Rädertierchen-Genom zu gelangen“, sagte Arkhipova. Etwa 10 Prozent des Genoms der Rädertierchen stammen aus nicht metazoischen Quellen, haben sie herausgefunden.

Dennoch war das Arkhipova-Labor überrascht, im Genom des Rädertierchens ein Gen zu finden, das einer bakteriellen Methyltransferase ähnelte (eine Methyltransferase katalysiert die Übertragung einer Methylgruppe auf DNA). „Wir stellten die Hypothese auf, dass dieses Gen diese neue Funktion der Unterdrückung von Transposons überträgt, und wir verbrachten die letzten sechs Jahre damit, zu beweisen, dass dies tatsächlich der Fall ist“, sagte Arkhipova.

Es ist noch zu früh, um zu wissen, welche Auswirkungen die Entdeckung dieses neuen epigenetischen Systems bei Rädertierchen haben könnte. „Ein guter Vergleich ist das CRISPR-Cas-System in Bakterien, das als Entdeckung der Grundlagenforschung begann. Jetzt wird CRISPR-Cas9 überall als Werkzeug für die Genbearbeitung in anderen Organismen verwendet“, sagte Rodriguez. „Dies ist ein neues System. Wird es Anwendungen und Auswirkungen auf die zukünftige Forschung haben? Es ist schwer zu sagen.“

Diese Entdeckungen öffnen die Tür zu neuen Werkzeugen und Forschungsrichtungen zur Untersuchung der Genomfunktion und Resilienz in diesem Rädertiersystem. In Zukunft kann dieses Wissen auf kreative Weise angewendet werden, um die Gesellschaft in dieser Zeit des schnellen Umweltwandels zu beeinflussen.