Neue Erklärung für die Vielfalt des Lebens

Wissenschaftler der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) haben herausgefunden, dass die für die Evolution der Proteine (Eiweiße) – und somit für die Evolution im Allgemeinen – notwendigen Mutationen einer Regel unterliegen. Das Team um Professor Dr. Burkhard Tümmler, MHH-Klinik für Pädiatrische Pneumologie, Allergologie und Neonatologie, konnte dieses neue Naturgesetz auch genau beschreiben und im Journal „FEBS Letters” veröffentlichen. Erstautorin ist Patricia Morán Losada, Ph.D.

Proteine sind für das Leben unentbehrlich: Sie verleihen den Zellen Form und Stabilität, ermöglichen ihre Bewegungen und den Stoffwechsel. Muskeln, Herz, Gehirn, Haut und Haare bestehen überwiegend aus Proteinen.

Schon sehr lange weiß man, dass die allmähliche Veränderung der Proteine von Generation zu Generation – ihre Evolution – über natürliche Selektion in der Umwelt verläuft: Bakterien, Tiere und Menschen sind aufgrund von Veränderungen des Erbgutes, vor allem sogenannte Punktmutationen, unterschiedlich. Und je besser ihre Anpassung an die natürliche Umgebung ist, desto häufiger können sie ihre Gene in die nächste Generation weitergeben.

Nicht zu wenig– nicht zu viel

Nun haben die MHH-Forscher entdeckt, dass diese Mutationen nach einer Regel stattfinden – einer Art Selbstregulierung in der Zelle. Diese Regel konnten sie auch genau beschreiben. „Mutationen sind notwendig, damit sich etwas verändert, aber sie dürfen nicht Überhand nehmen. Der optimale Kompromiss ist, dass sie stattfinden, aber nicht zu häufig geschehen. Dann sind sie auch kontrollierbar“, sagt Professor Tümmler.

Um die Regel zu verstehen, sei vorab erklärt, dass Proteine aus Ketten von Aminosäuren bestehen, von denen es 20 verschiedene gibt. Aus speziellen Genabschnitten von drei bestimmten aufeinander folgenden Basen („Codons“) geht jeweils eine bestimmte Aminosäure hervor. Bei einer Punktmutation (der häufigsten Art der Mutationen) ist eine dieser drei Basen im genetischen Code verändert, was zur Folge haben kann, dass eine andere Aminosäure entsteht.

Das Naturgesetz, das die Wissenschaftler gefunden haben, lautet: Wenn die erste Base eines Codons ausgetauscht ist, es also eine Mutation an der ersten Codonposition gibt, dann besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass auch die benachbarte Mutation an der ersten Position des Codons auftritt. Und wenn eine Mutation an einer zweiten Codonposition auftritt, dann tritt die nächste Mutation sehr häufig auch an zweiter Codonposition auf. Eine Mutation an der dritten Codonposition hat meist zur Folge, dass die nächste Mutation ebenfalls an der nächsten dritten Codonposition auftritt. „Mutationen werden bevorzugt an denselben Codonpositionen zugelassen“, fasst Professor Tümmler zusammen.

Die Regel der Regelmäßigkeit

Diese bisher unbekannte Auswahlregel der Drei-Basen-Periodizität konnten die Forscher durch den paarweisen Vergleich der Gesamtheit aller Gene von Dutzenden von Stämmen zweier Bakterienarten erkennen. So erhielten sie für jede Art Millionen von Einzeldaten. Zahlreiche komplett sequenzierte Genome von einer Art zu erhalten, ist erst seit wenigen Jahren möglich.

Die Auswahlregel wurde im Rahmen von Forschungsarbeiten zu chronischen bakteriellen Infektionen entdeckt, die in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich 900 „Chronische Infektionen: Mikrobielle Persistenz und ihre Kontrolle“ durchgeführt werden.

Die Originalpublikation „Three-base periodicity of sites of sequence variation in Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus core genomes“ finden Sie im Internet unter folgendem Link: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1873-3468.12431/full.

Weitere Informationen erhalten Sie bei Professor Dr. Burkhard Tümmler, Telefon (0511) 532-2920, tuemmler.burkhard@mh-hannover.de.