Wie der modulare Aufbau der Proteine die Evolution fördert
Die Veränderung einer kurzen Proteindomäne kann ein ganzes Signalnetzwerk zur Entwicklung der Organe umlenken, das hat eine Vergleichsstudie zur Evolution der Fadenwürmer Caenorhabditis elegans und Pristionchus pacificus ergeben. Das Organ selbst, der Eiablageapparat, ist jedoch in der äußeren Form bei beiden Tieren gleich geblieben. C. elegans und P. pacificus liefern daher ein gutes Beispiel für die Theorie über die Verschiebung der Entwicklungssysteme (developmental systems drift). Sie besagt, dass Organe bei verschiedenen Arten in ihrer Form häufig über eine längere Zeit der Evolution äußerlich gleich bleiben, die regulatorischen Mechanismen ihrer Entwicklung sich jedoch stark verändern können. Die neuen Ergebnisse werfen die Frage auf, ob allgemein der modulare Aufbau der Proteine der Evolution Freiräume gibt, während die Strukturen der Organe wie auch der Signalketten häufig über lange Zeiten hochkonserviert bleiben.
Der Fadenwurm C. elegans ist ein Modellorganismus der Genetik. Das zwittrige, im Boden lebende Tier wird nur etwa einen Millimeter lang. Sein Erbgut wurde vollständig entziffert, das Schicksal jeder seiner genau 959 Zellen können die Forscher nachverfolgen. In jahrelanger Forschungsarbeit hat Ralf Sommer, Direktor der Abteilung Evolutionsbiologie am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, einen zweiten Fadenwurm, Pristionchus pacificus (P. pacificus), als Vergleichsmodellorganismus eingeführt. Er sieht C. elegans auf den ersten Blick ähnlich, gehört aber zoologisch zu einer anderen Familie. Der letzte gemeinsame Vorfahre der beiden Würmer hat vor 250 bis 420 Millionen Jahren gelebt, noch vor der großen Zeit der Dinosaurier. „Für unsere Vergleiche dürfen die Lebewesen nicht zu nah verwandt sein, weil sich geringe Unterschiede im Erbgut nur schwer bestimmten Ereignissen in der Evolution zuordnen lassen“, erklärt Xiaoyue Wang, Mitarbeiterin von Ralf Sommer und Erstautorin der Studie. „Die beiden Würmer sind ideal, weil uns eine Vielzahl genetischer und molekularbiologischer Methoden zur Verfügung steht.“ Die Forscher konzentrierten sich auf die Untersuchung der Vulva der Würmer, des Eiablageapparats, der bei beiden gleich aussieht und sich nach dem gleichen Muster aus sechs Vorläuferzellen bildet.
Elektonenmikroskopische Aufnahme des Fadenwurms Caenorhabditis elegans.
Jürgen Berger/MPI für Entwicklungsbiologie
Es war bereits bekannt, dass jedoch die Entwicklung der Vulva bei C. elegans und P. pacificus unterschiedlich verläuft: Teilweise werden verschiedene Signalketten eingesetzt, teilweise werden über die gleichen Ketten bei einer Art fördernde, bei der anderen Art hemmende Signale geleitet. Diese Beobachtungen decken sich mit der Theorie der developmental systems drift. Um deren Gültigkeit eingehender zu prüfen, hat Xiaoyue Wang mit genetischen und molekularen Methoden vor allem die Einleitung der Vulvabildung in der hinteren Körperregion von P. pacificus genau analysiert: „Ich habe bei einem Proteinbauplan eine einzelne Mutation in einem Stoppelement der DNA gefunden, an dem bei C. elegans die Bildung des Proteins abgeschlossen wird. Doch hier werden noch weitere 17 Aminosäuren angehängt“, sagt die Forscherin. Das Protein ist ein Rezeptor, der durch die Verlängerung eine zusätzliche Bindungsstelle erhalten hat. Dies wiederum hat bewirkt, dass eine weitere Signalkette an den Rezeptor angekoppelt werden kann.
Die Evolution scheint dabei die vorhandenen Signalwege fast wie ein Baukastensystem zu nutzen: Eine Signalkette kann wie bei P. pacificus an einer neuen Stelle angekoppelt und in einem neuen Zusammenhang genutzt werden. „Ich glaube nicht, dass wir bei den Fadenwürmern eine ungewöhnliche Ausnahme entdeckt haben. Man weiß, dass solche Prozesse zur Entstehung von Krebs beim Menschen führen können. Aber genauso können sie auch zu allgemeinen Veränderungen führen, die der natürlichen Selektion unterliegen und so in der Evolution weitergegeben werden“, sagt Xiaoyue Wang. Dass Abweichungen in den Regulationsmechanismen nicht unbedingt zur Veränderung des Organs führen, könnte an der Redundanz liegen. Denn die Forscher haben früher bereits festgestellt, dass an der Ausbildung der Vulva parallel mehrere Spezifizierungsmechanismen beteiligt sind. Der modulare Aufbau der Proteine macht es möglich, dass wichtige Bereiche über die Evolution vieler Arten hinweg konserviert bleiben und zugleich kleine Domänen dynamisch Neuerungen einführen. Wie groß die Rolle dieser Mechanismen für die Evolution insgesamt ist, bleibt zu klären.
Originalveröffentlichung
Xiaoyue Wang, Ralf J. Sommer; "Antagonism of LIN-17/Frizzled and LIN-18/Ryk in Nematode Vulva Induction Reveals Evolutionary Alterations in Core Developmental Pathways"; PLoS Biology 2011.
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