Genetische Vielfalt aus molekularbiologischer Sicht
Nach dem zentralen Lehrsatz der Biologie wird DNA in Boten-RNA (mRNA) translatiert, die wiederum in ein Protein umgeschrieben wird. Die Genexpression wird dabei auf verschiedenen Ebenen reguliert. Die Kodierungs- und Funktionsvielfalt von Genen beruht maßgeblich auf dem alternativen Spleißen, ein Prozess, bei dem die mRNA verändert wird, indem Exons erhalten oder übersprungen werden und dadurch unterschiedliche Proteinisoformen entstehen. Das EU-finanzierte Forschungsprojekt EVOALTSPLICE untersuchte nun die Evolution alternativer Spleißmechanismen bei Wirbeltieren, um biologisch informative, konservierte und zustandsabhängige Splicing-Muster zu finden. EVOALTSPLICE verglich die Evolution der Transkriptome mehrerer Organe von 10 Wirbeltierarten über einen Zeitraum von rund 350 Mio. Jahren. Dabei fand man heraus, dass das AS-Profil der Gene in diesen Organen eher mit der Identität einer Art als mit der Art des Organs korreliert, auch beim Vergleich von Arten, die sich erst vor rund 6 Mio. Jahren auseinander entwickelten. Computergestützt wurden Kombinationen aus cis-regulatorischen Elementen identifiziert, die als prädiktive Marker für gewebespezifische Spleißmuster bei Wirbeltierarten dienen könnten. An der Maus wurde demonstriert, dass AS-Muster allgemein signifikant konservierten cis-regulatorischen Aspekten unterliegen. Allerdings sind nur einige AS-Ereignisse, die Veränderungen der Wechselwirkungen zwischen Proteinen induzieren, für die Diversifizierung des Spleißens und die phänotypischen Unterschiede bei Wirbeltieren verantwortlich. Die Forscher fanden heraus, dass die Retention von Introns, die AS bei Pflanzen und einzelligen Eukaryoten ermöglicht, bei Säugetieren überraschend häufig stattfindet (bei etwa 75% aller Gene mit mehreren Exons). Weiterhin untersuchten die Forscher ein alternatives Exon im PTBP1-Gen menschlicher Zelllinien. Da Exon-Skipping in einem weniger funktionsfähigen PTBP1-Protein resultiert, hat seine Evolution offenbar dazu beigetragen, die Splicing-Targets bei Säugern zu verändern. Mittels Intronmarkierung und SD-CM (spinning disc confocal microscopy) wurde untersucht, inwieweit verschiedene Spleißsignale das Spleißen in lebenden menschlichen Zellen verändern. Den Ergebnissen zufolge beeinflusst die Stärke der Spleißstelle die Kinetik des Spleißens. Die Studie von EVOALTSPLICE wurde in den renommierten unabhängigen Fachzeitschriften Science, Molecular Cell, Nature sowie Genome Research and Molecular Microbiology veröffentlicht. Die neuen Erkenntnisse zum Spleißen und zur Gentranskription sind von großer Bedeutung für die Molekular- wie auch Entwicklungsbiologie und die Forschung an Krankheiten.
Schlüsselbegriffe
Wirbeltiere, alternatives Spleißen, evolutionäre Variation, Proteinisoformen