Frische Gene auf dem „verfallenden“ Y-Chromosom

Neues Analyseverfahren bringt Schwung in die bisher schwierige Identifikation Y-chromosomaler Gene

27.10.2017 - Österreich

Das Y-Chromosom ist auch mit neuesten Sequenziertechniken nur schwer zu entschlüsseln. Die Frage, welche Gene auf diesem Chromosom liegen und wie diese entstanden sind, wird deshalb heiß diskutiert. Durch eine neue Analysemethode gelang Populationsgenetiker der Vetmeduni Vienna nun ein entscheidender Durchbruch. Sie zeigten, dass in Fruchtfliegen häufig genetisches Material von den anderen Chromosomen auf das Y-Chromosom übertragen wird. Obwohl diese Transfers zumeist „Unfälle“ darstellen, konnten die Forschenden nun nachweisen, dass einige doch funktionelle Gene erzeugen. Die in PNAS publizierten Ergebnisse setzen neue Impulse für die Erforschung männlicher Chromosomen anderer Arten.

Y-Chromosomen, die nur über die väterliche Linie vererbt werden, stammen von „normalen“ Chromosomen, den sogenannten Autosomen ab. Da immer nur ein einzelnes Y-Chromosom in den Männern vorhanden ist, gibt es keinen Gegenpart für Rekombination, den direkten Austausch von genetischem Material. Dadurch ist das Entfernen von schädlichen Mutationen auf dem Y-Chromosom viel schwieriger als für die anderen Chromosomen. Als Konsequenz sind Gene auf dem Y-Chromosom meist dem Untergang geweiht. Frühere Arbeiten in der Fruchtfliege haben gezeigt, dass frische Gene auf das Y-Chromosom übertragen werden können, die Rate wurde jedoch sehr niedrig geschätzt (1 Transfer in 10 Millionen Jahren).
Forschende des Instituts für Populationsgenetik der Vetmeduni Vienna konnten nun mit einem neuen und hoch-spezifischen Analyseverfahren mehrere Impulse für die Entschlüsselung der evolutionären Dynamik des Y-Chromosoms geben. Ihre Studie zeigte, dass bei Fruchtfliegen zehnmal mehr frische Gene auf das Y-Chromosom übertragen werden, als bisher vermutet wurde. Einige dieser frischen Gene scheinen auch wichtige Funktionen übernommen zu haben.

Neue Methode bringt Schwung in die bisher schwierige Identifikation Y-chromosomaler Gene

Das Y-Chromosom ist eine hart zu knackende Nuss für die Genomforschung. Da es nur sehr wenige funktionale Gene trägt, die außerdem in schwer zu analysierender, repetiver DNA eingebettet sind, ist es eine Herausforderung diese Gene zu finden. „Bei Drosophila melanogaster sind nur sieben funktionelle Gene auf dem Y-Chromosom identifiziert. Wir vermuteten aber, dass sowohl die Zahl funktioneller Gene, als auch die eigentliche Transferrate höher sein muss“, sagt Erstautor Ray Tobler. „Deshalb entwickelten wir ein neues Analyseverfahren, mit dem wir effizient nach Gentransfers ins Y-Chromosom, sogenannter GeTYs, suchen konnten.“

Der Trick der Forschenden besteht darin das Genom der Männchen und Weibchen einer sogenannten Fruchtfliegen-Inzuchtlinie zu sequenzieren. Diese unterscheiden sich nur in der Y-chromsomalen Sequenz. „Der Schlüssel zu unseren Ergebnissen war, erstmals nach Varianten in den Männchen zu suchen, die es bei Weibchen nicht gibt“, so Tobler. „Wir arbeiten also völlig ohne bekannte Y-Chromosom-Sequenzen, die sonst üblicherweise für einen Vergleich genutzt werden. Damit konnten wir die transferierten Gene auch erstmals auf sogenannte Retrokopien zurückführen, bei denen das RNA-Transkript eines Genes in das Y-Chromsom eingebaut wird.“

Erstmals auch transferierte RNA-Kopien und wichtige Selektionsmechanismen identifiziert

Alle bisher beschriebenen Gentransfers auf das Y-Chromosom stammten von der Übertragung eines Chromosomenstücks und nicht von einem RNA-Transkript. „Durch die hohe Anzahl an nachgewiesenen Gentransfers konnten wir statistisch absichern, dass es Unterschiede zwischen Drosophila Arten gibt“ erklärt Letztautor Christian Schlötterer. „Nur in den eng verwandten Arten D. mauritiana und D. simulans haben wir Gene gefunden, die von einem RNA-Transkript abstammen, was auf artspezifische Transfermechanismen schließen lässt.“

Neue Impulse für die Y-Chromosom-Forschung anderer Spezies

Eine besondere Überraschung war für das Forschungsteam, dass vier der 25 frisch auf das Y-Chromosom übertragenen Gene dort schon eine wichtige Funktion übernommen haben. „Da diese neuen Gene aber in allen Individuen einer Art zu finden sind, stellt sich die Frage, welche Funktionen diese neuen Y-chromosmalen Gene haben“, sagt Tobler. Bisher ist noch völlig unklar, ob und wie lange diese neuen Gene dem Zerfallsdruck auf dem Y-Chromosome standhalten können. Da die neue Analysemethode kein Referenzgenom für das Y-Chromosom benötigt, bietet sie ein enormes Potential die Dynamik neuer Gene auf dem Y-Chromosom in vielen verschiedenen Arten zu studieren. „Ich erwarte mir noch viele spannende Ergebnisse“ so Christian Schlötterer.