Können Lebewesen die Veränderung ihres Erbguts beeinflussen?

Forschenden des Kiel Evolution Center gelingt erstmals der Nachweis, dass Veränderungen bestimmter Proteine in der Verpackung des Erbguts eine ursächliche Wirkung auf die Häufigkeit von Genmutationen haben.

Die Veränderung von Erbinformationen über die Zeit ist ein Schlüsselfaktor für evolutionäre Anpassungen, mit denen Lebewesen auf Veränderungen ihrer Umwelt reagieren können. Einerseits entsteht genetische Variabilität im Zuge der Fortpflanzung, bei der Erbinformationen aufgeteilt und im entstehenden Nachwuchs neu kombiniert werden. Zusätzlich sind Mutationen eine weitere wichtige Quelle genetischer Variabilität. Diese genetische Vielfalt bietet dann den Ansatzpunkt für das Wirken der natürlichen Selektion, die in der Weitervererbung bestimmter vorteilhafter genetischer Varianten mündet und somit eine Anpassung an veränderte Umweltbedingungen ermöglicht.

Mutationen treten innerhalb der gesamten Erbinformationen eines Organismus unterschiedlich häufig und an verschiedenen Orten auf. Bei vielzelligen Lebewesen ist die DNA durch bestimmte Proteine verpackt, unter anderem die sogenannten Histone. Modifikationen dieser Proteine wirken sich darauf aus, wie dicht das Erbgut gepackt wird. Forschende vermuten, dass dies wiederum die Mutationsrate beeinflusst: Zahlreiche Forschungsarbeiten in den Lebenswissenschaften beschäftigen sich mit den Zusammenhängen von solchen Modifikationen und der Häufigkeit von Mutationen. In der Krebsforschung war es beispielsweise möglich zu zeigen, dass solche Modifikationen und an der Tumorentstehung beteiligte Mutationen häufig gemeinsam auftreten.

Kieler Forschende bestätigen ursächliche Wirkung in neuer Publikation

Forschenden des Kiel Evolution Center (KEC) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun am Beispiel des Pilzes Zymoseptoria tritici, einem Schädling der Weizenpflanze, erstmals, auch einen ursächlichen Zusammenhang von solchen Protein-Modifikationen und der Mutationsrate nachzuweisen. Dazu führten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe Umweltgenomik am Botanischen Institut der CAU um Professorin Eva Stukenbrock umfangreiche Evolutionsexperimente durch. Die Forschenden analysierten darin die Mutationsraten in Pilzkolonien, in denen sie künstlich bestimmte Enzyme ausschalteten, die für die natürlich auftretenden Modifikationen verantwortlich sind. Im Vergleich mit nicht veränderten Pilzen konnten sie so bestimmten, dass die Mutationsraten abwichen und daher die Protein-Modifikationen direkte Ursache einer veränderten Mutationsrate sind. Ihre neuen Forschungsergebnisse veröffentlichten die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heute im renommierten Fachmagazin Nature communications.

Umfangreiche Evolutionsexperimente

Bei vielzelligen Lebewesen ist die DNA mithilfe der Histone-Proteine organisiert. Diese Anordnung der Erbinformationen, die man sich wie eine Verpackung vorstellen kann, beeinflusst unter anderem, wie die Erbinformationen ausgelesen und vervielfältigt werden. Fehler in diesem auch als Replikation bezeichneten Prozess können, neben Faktoren aus der Umwelt, zu Mutationen führen. Um die Wirkung von Modifikationen der an dieser Verpackung beteiligten Proteine auf die Häufigkeit von Mutationen zu untersuchen, führte das Kieler Forschungsteam besonders umfangreiche Evolutionsexperimente durch. Dabei verglichen sie Pilz-Kolonien, bei denen künstlich bestimmte Enzyme der DNA-Verpackung ausgeschaltet waren, mit unveränderten Kolonien. Die ursprünglichen und die veränderten Proben beobachteten sie dann über den Zeitraum von einem Jahr, um die Entstehung genetischer Varianten in beiden Gruppen zu vergleichen.

Um dabei den Einfluss von Selektionsprozessen auszuschließen, wählten die Forschenden einmal wöchentlich eine zufällige Pilz-Kolonie aus und züchteten aus dieser mit jeweils einer einzelnen Zelle eine neue Kolonie an. So schufen sie jeweils einen sogenannten evolutionären Flaschenhals, der die entstandenen Genvariationen in der Nachfolgegeneration fixierte. Damit konnten sie auf diesem Weg sicherstellen, dass die Häufigkeit der genetischen Veränderungen der Pilze nicht durch Selektion beeinflusst wurde. Durch den langen Untersuchungszeitraum und die hohe Anzahl an parallelen Ansätzen sammelte sich so ein großes Repertoire an Mutationen in den Pilzkolonien an. Mit Hilfe von Hochdurchsatz-Genomsequenzierungen analysierten die Forschenden dann die gesamten Erbinformationen der vielen verschiedenen Varianten und konnten so ermitteln, wie häufig genetischen Veränderungen insgesamt auftraten.

„Die experimentelle Hemmung epigenetischer Modifikationen führte dazu, dass sich die Mutationsraten stark veränderten – je nach Art der Veränderung Mutationen also entweder deutlich häufiger oder aber seltener auftraten. Die Modifikationen sind also für die Häufigkeit und den Ort spontaner Mutationen im Genom direkt verantwortlich und können die evolutionäre Entwicklung einer Art beeinflussen“, fasst Dr. Michael Habig, Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe Umweltgenomik und Erstautor der Arbeit, zusammen. „Damit zeigt unsere Studie anhand von experimentellen Daten, die es bisher von keiner anderen Spezies gab, dass verschiedene epigenetische Modifikationen und Änderungen der Mutationsrate nicht nur korrelieren, also parallel auftreten, sondern ursächlich aufeinander beruhen“, so Habig weiter.

Können Organismen Mutationsraten steuern?

Die neuen Ergebnisse des Kieler Forschungsteams aus dem KEC liefern damit erste Ansätze, um eine neuartige Forschungsfrage zu beantworten: Ob und wie Organismen ihre Mutationsraten eigenständig manipulieren oder optimieren können. Speziell bei den Beziehungen von Schädlingen und Wirtsorganismen wie eben beispielsweise Zymoseptoria tritici und Weizen wäre es plausibel, wenn solche gesteuerten Modifikationen stattfänden, um die gegenseitige Anpassung zu beschleunigen. „Da sie sich gemeinsam entwickeln und dabei auf wechselseitige Veränderungen reagieren müssen, gibt es Bereiche in den Erbinformationen von Wirt und Schädling, die sich schneller anpassen müssen als andere“, erklärt Habig. „Dies könnte möglicherweise ein Punkt sein, an dem ein Organismus auf seine Mutationsraten einwirkt, um eine beschleunigte Anpassung an das Gegenüber zu erreichen“, so Habig weiter. Dafür spräche unter anderem, dass bestimmte Modifikationen besonders in solchen Bereichen des Erbgutes liegen, die dem Pilz bei der Überwindung des pflanzlichen Immunsystems helfen.

In künftigen Forschungen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen, ob diese Eingriffe in das Genom tatsächlich gezielt stattfinden und mit evolutionären Anpassungsprozessen in Verbindung stehen. „Unsere neuen Ergebnisse sind damit grundsätzlich auch auf verschiedenen Anwendungsfeldern relevant. Der Nachweis, dass epigenetische Modifikationen und Mutationsraten kausal zusammenhängen, eröffnet neue Perspektiven für ein ganzes Spektrum von Forschungsfeldern“, betont Stukenbrock, Leiterin der Arbeitsgruppe Umweltgenomik und KEC-Mitglied. „Unter anderem werden uns die neuen Erkenntnisse künftig dabei helfen, die Anpassungen von Pflanzenschädlingen an ihre Wirte oder aber die Evolution von Tumoren besser zu verstehen“, so Stukenbrock weiter.

Fotos stehen zum Download bereit:

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/039-habig-elife-blatt.jpg
Bildunterschrift: Ein mit dem Pilz Zymoseptoria tritici befallenes Weizenblatt zeigt die typischen Anzeichen der sogenannten Blattdürre, die zu drastischen Ernteausfällen führen kann.
© Dr. Janine Haueisen

Weitere Informationen:

Arbeitsgruppe Umweltgenomik, Botanisches Institut,
CAU/Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön:
http://web.evolbio.mpg.de/envgen

Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU:
http://www.kec.uni-kiel.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Michael Habig
Arbeitsgruppe Umweltgenomik,
Botanisches Institut, CAU
Tel.: 0431-880-6361
E-Mail: mhabig@bot.uni-kiel.de

Prof. Eva Stukenbrock
Leiterin Arbeitsgruppe Umweltgenomik,
Botanisches Institut, CAU
Tel.: 0431-880-6368
E-Mail: estukenbrock@bot.uni-kiel.de

Originalpublikation:

Michael Habig, Cecile Lorrain, Alice Feurtey, Jovan Komluski and Eva H. Stukenbrock (2021): Epigenetic modifications alter the rate of spontaneous mutations in a pathogenic fungus. Nature Communications First published 7. October 2021
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26108-y#Bib1

Weitere Informationen:

http://web.evolbio.mpg.de/envgen
http://www.kec.uni-kiel.de