piRNA cluster bestimmen das Verhalten springender Gene

Das Leben ist ein unerbittlicher Kampf ums überleben. Zum Beispiel Parasiten leben auf Kosten ihrer Wirte und die Wirte versuchen die Parasiten loszuwerden. Es überrascht viele, das dieser Kampf auch in unserem Erbgut tobt. Parasitische DNA, oder auch transponierbare Elemente (TEs) genannt, breitet sich in unserem Erbgut aus selbst wenn uns das krank machen sollte. Diese TEs vermehren sich sehr erfolgreich und machen 50% unseres menschlichen Erbgutes aus. Überraschenderweise variiert die Häufigkeit dieser T E stark zwischen Arten, wo zB das Erbgut des Frosches zu 77% as TEs besteht während Hefe nur 3% hat. Wieso hat der Frosch so viele und Hefe so wenige TEs? Bisher gibt es keine befriedigende Antwort zu dieser wichtigen offenen Frage. Unsere Computersimulationen haben möglicherweise eine entscheidende Einflussgröße identifiziert. Die größe der piRNA Cluster - das sind Regionen im Erbgut die kurze RNA Stücke produzieren welche TEs deaktivieren - könnte die wichtigste Einflussgröße auf die Häufigkeit von TEs sein. Wir können uns TEs als Mäuse vorstellen die sich fröhlich in einem Haus (= das Erbgut) vermehren. Man kann sich weiter die piRNA Cluster als Mausefallen vorstellen. Wenn es wenige Mausefallen in dem Haus gibt können sich Mäuse ungehindert ausbreiten und die Anzahl der Mäuse wird daher groß werden. Wenn hingegen viele Mausefallen verteilt wurden wird die Anzahl der Mäuse niedrig sein. Ähnlich verhält es sich im Erbgut. Wenn eine Art wenige kleine piRNA Cluster hat werden sich viele TEs anhäufen und wenn eine Art viele grosse piRNA Cluster sind wird man nur wenige TEs finden. In diesem Projekt werden wir diese Hypothese testen indem wir die Größe der piRNA Cluster und die Häufigkeit von TEs in mehreren Fruchtfliegenarten bestimmen. Zusätzlich werden wir künstlich ein TE in verschiedene Fruchtfliegenarten einführen und testen ob die Gesamtgröße der piRNA Cluster die gemessene Häufigkeit von TEs bestimmt. Schlussendlich wollen wir Computermodelle erstellen welche das Verhalten von TEs beschreiben. Wir werden Testen ob die größe der piRNA Cluster und andere Parameter, wie negative Selektion, ausreichend sind um die Invasion von TEs quantitativ vorherzusagen.

Das Projekt war ein voller Erfolg; wir veröffentlichten mehrere Artikel, darunter einige in führenden Fachzeitschriften wie Nature Communications, Genome Research und PNAS. Die wichtigste Erkenntnis über das Ausmaß des horizontalen Gentransfers könnte sogar unser Verständnis der Evolution nachhaltig prägen. Normalerweise wird genetische Information ausschließlich vertikal von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben. Gelegentlich findet jedoch auch ein horizontaler Gentransfer statt, beispielsweise zwischen zwei nicht verwandten Arten. Man ging bisher davon aus, dass ein solcher horizontaler Gentransfer selten ist und etwa einmal pro Million Jahre vorkommt. Unsere Arbeit zeigte, dass in den letzten 200 Jahren mindestens zwölf solcher horizontaler Gentransfers bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster stattgefunden haben. Diese Erkenntnis wirft viele Fragen auf. Erstens: Welche Folgen hat ein so häufiger horizontaler Gentransfer für den Organismus? Zweitens: Weisen auch andere Organismen eine so hohe Rate an horizontalem Gentransfer auf? Und schließlich: Ist diese Rate konstant oder hat sie in letzter Zeit zugenommen? Aus mehreren Gründen gehen wir davon aus, dass sie in letzter Zeit zugenommen hat, höchstwahrscheinlich aufgrund menschlicher Aktivitäten, die zum Klimawandel und zur Ausbreitung von Insektenhabitaten beitragen - Faktoren, die für den horizontalen Gentransfer von Bedeutung sein dürften. Diese Arbeit gibt daher Anlass zur Sorge, dass der Mensch in vielen Arten weitreichende Genominvasionen auslösen könnte. Dies könnte unvorhersehbare Folgen für die evolutionäre Entwicklung der Arten haben, von Aussterben bis hin zu beschleunigter Anpassung. Wir planen, diese Hypothese in Folgeprojekten zu überprüfen.