Sogenannte Junk-DNA spielt bei der Entwicklung von Säugetieren eine entscheidende Rolle

Das Ausschalten des Transposon-Promotors führt bei Mäusen zum Tod der Welpen; ähnliche Promotoren finden sich bei vielen Säugetieren

20.10.2021 - USA

Nahezu die Hälfte unserer DNS wurde als "Müll" abgetan, als Abfall der Evolution: überflüssige oder kaputte Gene, Viren, die sich in unserem Genom festgesetzt haben und zerstückelt oder zum Schweigen gebracht wurden, nichts davon ist für den menschlichen Organismus oder die menschliche Evolution von Bedeutung.

Die Forschung des letzten Jahrzehnts hat jedoch gezeigt, dass ein Teil dieser genetischen "dunklen Materie" eine Funktion hat, vor allem bei der Regulierung der Expression von Wirtsgenen - nur 2 % unseres gesamten Genoms -, die für Proteine kodieren. Die Biologen streiten sich jedoch weiterhin darüber, ob diese regulatorischen DNA-Sequenzen im Körper eine wesentliche oder schädliche Rolle spielen oder ob sie einfach nur zufällig sind, ein Unfall, auf den der Organismus verzichten kann.

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der University of California, Berkeley, und der Washington University untersuchte die Funktion eines Bestandteils dieser Junk-DNA, der Transposons, bei denen es sich um selbstsüchtige DNA-Sequenzen handelt, die in ihr Wirtsgenom eindringen können. Die Studie zeigt, dass mindestens eine Familie von Transposons - uralte Viren, die millionenfach in unser Genom eingedrungen sind - eine entscheidende Rolle für die Lebensfähigkeit der Maus und vielleicht aller Säugetiere spielt. Als die Forscher ein bestimmtes Transposon bei Mäusen ausschalteten, starb die Hälfte der Mäusewelpen vor der Geburt.

Dies ist das erste Beispiel dafür, dass ein Stück "Junk-DNA" für das Überleben von Säugetieren entscheidend ist.

Bei Mäusen reguliert dieses Transposon die Vermehrung von Zellen im frühen befruchteten Embryo und den Zeitpunkt der Einnistung in der Gebärmutter der Mutter. Die Forscher untersuchten sieben weitere Säugetierarten, darunter auch den Menschen, und fanden ebenfalls von Viren abgeleitete regulatorische Elemente, die mit der Zellproliferation und dem Zeitpunkt der Einnistung des Embryos in Verbindung stehen, was darauf hindeutet, dass uralte virale DNA unabhängig voneinander domestiziert wurde, um eine entscheidende Rolle in der frühen Embryonalentwicklung aller Säugetiere zu spielen.

Laut Erstautorin Lin He, Professorin für Molekular- und Zellbiologie an der UC Berkeley, werfen die Ergebnisse ein Schlaglicht auf eine oft ignorierte Triebkraft der Evolution: Viren, die sich in unser Genom integrieren und als Regulatoren von Wirtsgenen umfunktioniert werden, eröffnen evolutionäre Optionen, die zuvor nicht zur Verfügung standen.

"Die Maus und der Mensch haben 99 % ihrer proteinkodierenden Gene in ihren Genomen gemeinsam - wir sind uns sehr ähnlich", so He. "Was sind also die Unterschiede zwischen Mäusen und Menschen? Einer der Hauptunterschiede ist die Genregulation - Mäuse und Menschen haben die gleichen Gene, aber sie können unterschiedlich reguliert werden. Transposons sind in der Lage, eine große Vielfalt in der Genregulation zu erzeugen und könnten uns helfen, die artspezifischen Unterschiede in der Welt zu verstehen."

Der Kollege und Mitautor Ting Wang, Sanford and Karen Loewentheil Distinguished Professor of Medicine in der Abteilung für Genetik an der Washington University School of Medicine in St. Louis, Missouri, stimmt dem zu.

"Die eigentliche Bedeutung dieser Geschichte liegt darin, dass sie uns zeigt, wie die Evolution auf höchst unerwartete Weise funktioniert", so Wang. "Transposons wurden lange als nutzloses genetisches Material angesehen, aber sie machen einen so großen Teil des Säugetiergenoms aus. Viele interessante Studien haben gezeigt, dass Transposons eine treibende Kraft der Evolution des menschlichen Genoms sind. Dies ist jedoch das erste mir bekannte Beispiel, bei dem die Deletion eines Stücks Junk-DNA zu einem tödlichen Phänotyp führt, was zeigt, dass die Funktion spezifischer Transposons wesentlich sein kann."

Die Entdeckung könnte Auswirkungen auf die menschliche Unfruchtbarkeit haben. Laut dem Erstautor Andrew Modzelewski, einem Postdoktoranden an der UC Berkeley, wird fast die Hälfte aller Fehlgeburten beim Menschen nicht diagnostiziert oder hat keine eindeutige genetische Komponente. Könnten Transposons wie diese eine Rolle spielen?

"Wenn 50 % unseres Genoms nicht kodierend oder repetitiv sind - diese dunkle Materie - ist es sehr verlockend, die Frage zu stellen, ob die menschliche Fortpflanzung und die Ursachen menschlicher Unfruchtbarkeit durch Junk-DNA-Sequenzen erklärt werden können", sagte er.

Einpflanzung von Embryonen

He, der Thomas and Stacey Siebel Distinguished Chair Professor an der UC Berkeley, erforscht die 98 % oder mehr unseres Genoms, die nicht für Proteine kodieren. Die meiste Zeit ihrer Laufbahn hat sie sich auf mikroRNAs und längere Teile der nichtcodierenden RNAs konzentriert, die beide starke Genregulatoren sind. Vor fünf Jahren entdeckte ihr Team jedoch zufällig einen microRNA-Regulator für eine Transposon-Familie namens MERVL (mouse endogenous retroviral elements), die an der Bestimmung des Zellschicksals von frühen Mäuseembryonen beteiligt war. Die unerwartete Häufigkeit der Transposon-Transkription in Mäuseembryonen veranlasste das Team von He, die Entwicklungsfunktionen von Transposons zu untersuchen, die sich in den Genomen fast aller Organismen auf der Erde eingenistet haben.

In einem Artikel, der diese Woche in der Fachzeitschrift Cell erscheint, identifizieren He und ihr Team die entscheidende regulatorische DNA, die daran beteiligt ist: ein Stück eines Transposons - ein viraler Promotor -, das als Promotor für ein Mausgen umfunktioniert wurde, das ein Protein produziert, das an der Zellproliferation im sich entwickelnden Embryo und am Zeitpunkt der Einnistung des Embryos beteiligt ist. Ein Promotor ist eine kurze DNA-Sequenz, die einem Gen vorgeschaltet sein muss, damit es transkribiert und exprimiert werden kann.

Wildmäuse verwenden diesen Transposon-Promotor mit der Bezeichnung MT2B2, um die Transkription des Gens Cdk2ap1 speziell in frühen Embryonen zu initiieren und eine kurze Protein-"Isoform" zu produzieren, die die Zellproliferation im befruchteten Embryo erhöht und seine Einnistung in der Gebärmutter beschleunigt. Mithilfe von CRISPR-EZ, einer einfachen und kostengünstigen Technik, die Modzelewski und He vor einigen Jahren entwickelt haben, deaktivierten sie den MT2B2-Promotor und stellten fest, dass die Mäuse stattdessen das Cdk2ap1-Gen von seinem Standardpromotor aus als längere Form des Proteins, eine lange Isoform, exprimierten, die den gegenteiligen Effekt hatte: eine verringerte Zellproliferation und eine verzögerte Implantation.

Das Ergebnis dieses Knockouts war der Tod bei der Geburt von etwa der Hälfte der Welpen.

Modzelewski sagte, dass die kurze Form des Proteins dafür zu sorgen scheint, dass sich die vielen Embryonen der Maus mit einem regelmäßigen Abstand in der Gebärmutter einnisten, wodurch ein Gedränge verhindert wird. Wenn der Promotor ausgeschaltet wird, so dass nur die lange Form vorhanden ist, pflanzen sich die Embryonen scheinbar wahllos ein, einige davon über dem Gebärmutterhals, was den Austritt des voll entwickelten Fötus blockiert und manchmal die Mutter während des Geburtsvorgangs tötet.

Sie fanden heraus, dass innerhalb eines Zeitraums von 24 Stunden vor der Einpflanzung des Embryos der MT2B2-Promotor die Expression des Cdk2ap1-Gens so stark steigert, dass die kurze Form des Proteins 95 % der beiden in den Embryonen vorhandenen Isoformen ausmacht. Die lange Isoform wird normalerweise später in der Trächtigkeit produziert, wenn der Standardpromotor stromaufwärts des Cdk2ap1-Gens aktiv wird.

In Zusammenarbeit mit Wanqing Shao, Co-Erstautorin der Studie und Postdoktorandin in Wangs Gruppe an der Washington University, durchsuchte das Team veröffentlichte Daten über Präimplantationsembryonen von acht Säugetierarten - Mensch, Rhesusaffe, Marmoset, Maus, Ziege, Rind, Schwein und Opossum - um herauszufinden, ob Transposons bei anderen Arten kurz vor der Implantation aktiviert werden. Diese Online-Daten stammten von einer Technik, die als Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) bezeichnet wird und bei der die Menge an Boten-RNA in einzelnen Zellen aufgezeichnet wird, was ein Hinweis darauf ist, welche Gene aktiviert und transkribiert werden. In allen Fällen mussten sie die Daten über nicht codierende DNA abrufen, da diese normalerweise vor der Analyse entfernt wird, in der Annahme, dass sie unwichtig ist.

Während Transposons im Allgemeinen für einzelne Arten spezifisch sind - Menschen und Mäuse haben zum Beispiel weitgehend unterschiedliche Sätze - fanden die Forscher heraus, dass verschiedene artspezifische Transposon-Familien kurz vor der Implantation in allen acht Säugetieren eingeschaltet wurden, einschließlich des Opossums, dem einzigen Säugetier in der Gruppe, das keine Plazenta verwendet, um Embryos in die Gebärmutter einzupflanzen.

"Erstaunlich ist, dass die verschiedenen Arten weitgehend unterschiedliche Transposons haben, die in Präimplantationsembryonen exprimiert werden, aber die globalen Expressionsprofile dieser Transposons sind bei allen Säugetierarten nahezu identisch", sagte er.

Der Kollege und Mitautor Davide Risso, ein ehemaliger Postdoktorand der UC Berkeley und jetzt außerordentlicher Professor für Statistik an der Universität Padua in Italien, entwickelte eine Methode, um spezifische Transposons mit Präimplantationsgenen zu verknüpfen und so die Tausenden von Kopien verwandter Transposons, die im Genom existieren, auszusortieren. Diese Methode ist von entscheidender Bedeutung für die Identifizierung einzelner Transposon-Elemente mit wichtiger genregulatorischer Aktivität.

"Interessant ist, dass die von uns verwendeten Daten größtenteils auf der früheren Sequenzierungstechnologie SMART-seq beruhen, die die gesamte Sequenz der RNA-Moleküle erfasst. Die derzeit gängige Technik, die 10x-Genomik-Technologie, hätte uns die verschiedenen Ebenen der Protein-Isoformen nicht gezeigt. Sie sind blind für sie", sagte Risso.

Viren als evolutionäres Reservoir

Die Forscher fanden heraus, dass in fast allen acht Säugetierarten sowohl kurze als auch lange Cdk2ap1-Isoformen vorkommen, die jedoch zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Anteilen aktiviert werden, was damit zusammenhängt, ob sich Embryonen früh, wie bei Mäusen, oder spät, wie bei Kühen und Schweinen, einnisten. Auf Proteinebene scheinen also sowohl die kurze als auch die lange Isoform konserviert zu sein, aber ihre Expressionsmuster sind speziesspezifisch.

"Wenn man viel von der kurzen Cdk2ap1-Isoform hat, wie Mäuse, implantiert man sehr früh, während es bei Spezies wie Kühen und Schweinen, die keine oder nur sehr wenig von der kurzen Isoform haben, bis zu zwei Wochen oder länger dauert, bis die Implantation erfolgt", sagte Modzelewski.

Wang vermutet, dass der Promotor, der die lange Form des Proteins erzeugt, der ursprüngliche Promotor der Maus sein könnte, dass aber ein Virus, das vor langer Zeit in das Genom integriert wurde, später als regulatorisches Element angepasst wurde, um die kürzere Form und den gegenteiligen Effekt zu erzeugen.

"Was hier also passiert ist, ist, dass ein Nagetier-spezifisches Virus eingedrungen ist und dann irgendwie der Wirt beschlossen hat: 'OK, ich werde dich als meinen Promotor benutzen, um diese kürzere Cdk2ap1-Isoform zu exprimieren.' Wir sehen die in das System eingebaute Redundanz, mit der wir alles nutzen können, was die Natur uns vorsetzt, und es nützlich machen", sagte er. "Und dann war dieser neue Promotor zufällig stärker als der alte Promotor. Ich denke, dass dies den Phänotyp der Nagetiere grundlegend verändert hat; vielleicht ist es das, was sie schneller wachsen lässt - ein Geschenk der kürzeren Präimplantationszeit. Sie haben also wahrscheinlich einen Fitnessvorteil von diesem Virus."

"Wo auch immer man in der Biologie hinschaut, wird man sehen, dass Transposons verwendet werden, einfach weil es so viele Sequenzen gibt", fügte Wang hinzu. "Sie stellen im Grunde ein evolutionäres Reservoir dar, auf das die Selektion einwirken kann."

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