Barbara McClintok zeigte ihre Existenz erstmals beim
Mais. Seitdem sind sie in der Erbsubstanz jedes genetisch untersuchten
Modellorganismus nachgewiesen worden: mobile genetische Elemente, DNA-Sequenzen
also, die ihren Aufenthaltsort auf dem betreffenden Chromosom verlassen
und an einer anderen Stelle wieder eintreten können. Ihre Existenz
scheint reiner Selbstzweck, ihr Nutzen fraglich und ihre potentielle Schädlichkeit
hoch zu sein, doch wie immer ist der Schein nicht die ganze Wahrheit. In
jüngster Zeit ist etwas Licht in die dunkle Angelegenheit gekommen.
Transponierbare genetische Elemente üben seit ihrer Entdeckung
zunehmende Faszination auf Biologen genetischer Ausrichtung aus, bringen
sie doch das Weltbild einer stabilen Anordnung der Gene auf den Chromosomen
ins Wanken. Die Bedeutung der Mechanismen ihrer Auswirkung auf das Genom
geht weit über rein akademisches Interesse hinaus: springende Gene
sind in vielen Spezies einschließlich der menschlichen gefunden worden,
und viele Beobachtungen weisen darauf hin, daß ihnen in der Evolution,
aber auch für die Fitness -quasi ein Oberbegriff für die genetische
Gesundheit- des Trägers große Bedeutung zukommt.
Folgenschweres Fleckenmuster
Während wir unseren Mais eher als einfarbig gelb in Erinnerung
haben, gibt es Maisrassen, die mehr oder weniger dunkle Areale in ihren
Körnern aufweisen oder gar ganz dunkel sind. Dieses rührt von
einem rötlichbraunen Pigment her. Schon zu Anfang unseres Jahrhunderts
fiel es einigen Forschern auf, daß der indianische Mais kaum ein
so verschieden geflecktes oder gestreiftes Muster zeigt, daß von
einem einheitlichen Phänotyp kaum die Rede sein kann. Schon damals
wurde die Vermutung geäußert, daß dieses Muster durch
extrem häufiges Mutieren in dem betreffenden Locus zustande kommt.
Ohne anfangs besonderes Interesse für Farbmuster zu haben, untersuchte
Barbara McClintok Chromosomenbrüche beim Mais. Dabei traten völlig
faszinierende, wenngleich auch cytologisch chaotische Strukturen auf: dicentrische
Chromosomen, also solche mit zwei Centromeren. Solche nucleären Kabinettstückchen
können eigentlich nur dadurch erklärt werden, daß zwei
längere Chromosomenstücke, die beide die Centromerregion beinhalten,
fusionieren. Weiterhin beobachtete B.McClintok, daß solche Pflanzen
überdurchschnittlich viele gescheckte Nachkommen hatten. Höchst
merkwürdig war auch, daß die Chromosomenbrüche immer an
definierten Stellen im Genom auftraten. B.McClintok nannte sie daher Dissociation-(Ds)-Loci.
Zwar stand fest, daß diese Ds-Loci die Orte des Chromosomenbruchs
sind, doch trat dieses Ereignis nur ein, wenn ein zweiter Locus vorhanden
war, der daher Activator (Ac) getauft wurde. Für beide Elemente konnte
nachgewiesen werden, daß sie ihren angestammten Platz auf dem Chromosom
verlassen können, doch während Ac dazu allein in der Lage ist,
benötigt Ds offenbar die Hilfe von Ac - und eine solche Hilfe dürfte
wohl ein diffusibles Genprodukt, das die ihm zugrundeliegende DNA-Sequenz,
also Ac, oder eine genügend ähnliche, nämlich Ds erkennt
und ausschneidet.
In mühevolle Kleinarbeit ließ sich schließlich zeigen,
daß die Mutation im Pigmentlocus auf der Insertion eines Ds-Elements
beruht. Fehlt im Genom ein Ac-Element, ist die Mutation stabil und das
Maiskorn ist einheitlich farblos. Ist aber ein Ac-Element aktiv, kann Ds
springen und das Pigmentgen wieder zusammenführen. Die Synthese des
Pigments beginnt, und solche Areale fallen durch ihre rotbraune Farbe auf.
Sobald wieder ein Ds oder Ac inseriert, ist das Gen wieder funktionsgestört.
Der Bruch während solch eines Ereignisses ist also als Nebenwirkung
zu deuten.
Nicht nur in diesem Pigmentlocus ist das transponierbare Ac/Ds-System beobachtet
worden; da es bei eukaryontischen Transposons keine Sequenzvorlieben gibt,
kann von einer Insertion durch ein solches Element jedes beliebige Gen
betroffen sein. Neben den Farbmutanten am besten untersucht ist der waxy-Locus,
dessen Genprodukt für eine Amylose-Synthetase codiert. Das Maiskorn
erscheint durch die Einlagerung von Amylose in die Endospermzellen glänzend,
während bei Funktionsausfall des Gen durch die Insertion eines transponierbaren
Elements getrübt erscheint. Wie nicht anders zu erwarten, gibt es
auch hier Mutanten mit mehr oder weniger ausgeprägtem Muster abwechselnd
glänzender und trüber Bereiche auf den entsprechenden Maiskörnern.
Als man in der Lage war, die Molekularstruktur eines solchen Elements zu
untersuchen, stellte sich heraus, daß die springende DNA aus einer
codierenden Sequenz besteht, die von zwei umgekehrt liegenden Sequenzwiederholungen
(Inverted Repeats = IRs) flankiert ist. Die codierende Sequenz wird in
ein Genprodukt übersetzt, welches zum Springen des Gens führen
kann. Dieses ist daher eine Transposase. Da trotz vorhandener Transposase
weiterhin nichts passiert, wenn die IRs fehlen oder mutiert sind, konnte
bald zwanglos geschlossen werden, daß diese der Transposase als Erkennungssequenzen
dienen. Weiterhin wurde durch einen Sequenzvergleich von Ac und Ds deutlich,
daß letzteres ein verkrüppeltes Activator-Element ist, dessen
Fähigkeit, selbst eine Transposase zu bilden, erloschen ist, das aber
mit den IR-Sequenzen noch von einer anderswo produzierten Transposase erkannt
werden kann, und dieses "anderswo" kann nur ein aktives Ac-Element
sein.
Nun ist Springen ja noch lange nicht Vermehrung. Stellt man sich aber vor,
daß so ein Ereignis während der DNA-Replikation abläuft
und daß weiterhin die Insertion eines springenden, bereits replizierten
Transposons an einer noch nicht replizierten Stelle des Chromosoms erfolgt,
haben wir schon mal zwei aus einem. Je nach Transposase-Aktivität
kann das öfters erfolgen, doch aus später zu erörternden
Gründen geschieht das im allgemeinen äußerst selten.
Reverse Transkription: der andere Mechanismus
Im Laufe der Zeit schossen die Veröffentlichungen über transponierbare
genetische Elemente wie Pilze aus dem Boden. Einige von ihnen wiesen interessante
Eigenschaften auf: Sie zeigten Merkmale, die eher nach retroviraler DNA
riechen. Doch nicht in den spektakulären Retroviren wollen wir uns
jetzt verlaufen, sondern in der harmlosen Hefe.
In den einzelnen Hefe-Stämmen sind DNA-Sequenzen einer bestimmten
Gruppe in jeweils unterschiedlicher Menge und an jeweils unterschiedlichen
Stellen verteilt, was Anlaß genug war, ein Transpositionsereignis
als gesichert anzunehmen und diesen Elementen den Namen "Ty"
für "transposon yeast" zu geben. Die verschiedenen Ty-Elemente
unterscheiden sich stark voneinander und haben zu einem langen Nummerierungsregister
geführt. Einheitlich ist ihre Länge von 6,3 kb zuzüglich
je einer 330 Bp langen direkten Sequenzwiederholung. Auffällig ist
auch, daß nach erfolgter Insertion eines solchen Elements jeweils
fünf Basenpaare beiderseits der Insertion verdoppelt sind
Im Cytoplasma von Mauszellen wurden merkwürdige Ribonucleoproteinkrümel
gefunden, die man als intrazisternische Partikel (IAPs) bezeichnet hat
und nur in den Zellen sehr junger Embryonen sowie Tumorzellen nachweisbar
waren, während sie sonst im Gewebe adulter Mäuse normalerweise
vergeblich gesucht wurden - lediglich der Thymus einiger Stämme machte
eine Ausnahme. Heute wissen wir, daß gereinigte IAPs ein 73-kd-Strukturprotein,
eine Reverse Transkriptase und mehrere RNA-Spezies enthalten und Gene für
diese Produkte in mehreren Kopien auf dem Nagergenom verstreut liegen.
Diese Partikel werden nach ihrer Fertigung vom endoplasmatischen Reticulum
abgeschnürt und ähneln in ihrer Struktur Retroviren, ohne aber
infektiös zu sein. Stattdessen verbleiben sie brav in einer eR-Zisterne.
Davon abgesehen, verursachen IAP-Gene bei ihrer Transposition allerdings
Mutationen in Keimbahn und Soma. Sieht man sich die IAP-DNA genauer an,
so finden sich auch hier direkte Sequenzwiederholungen an den Rändern
beiderseits der codierenden Abschnitte und Zielstellenverdoppelungen außerhalb
der flankierenden Repeats.
Die flankierenden direkten Sequenzwiederholungen, von denen bei Ty und
den IAPs die Rede war, entsprechen in Größe und Struktur den
LTRs der doppelsträngigen Retrovirus-DNA (dabei steht LTR für
long terminal repeat). Auch das Auftreten reverser Transkriptase bei dieser
Art von Transposons erinnert an Retroviren. Sowohl diese als auch die LTR-haltigen
Transposons vermehren sich also über eine RNA-Zwischenstufe. Während
nun Retroviren bei einer Neuinfektion ihr Genom erstmal als RNA mitbringen,
diese durch das Enzym Reverse Transkriptase in eine dazu komplementäre
DNA umschreiben, diese dann in doppelsträngiger Form ins Wirtszellgenom
einbauen und Transkripte dieser Piraten-DNA zur Vermehrung des Virus dienen,
liegt die strukturell ähnliche Transposon-DNA schon im Genom vor und
wird wie ein normales Gen in eine mRNA übersetzt, doch erfolgt nun
die Rück-Übersetzung dieser mRNA durch eine ebenfalls Transposon-codierte
Reverse Transkriptase. In beiden Fällen entsteht eine cDNA (c für
"complementary"), die überstehende Enden besitzt und bei
der Insertion ins Genom an beiden Enden Lücken entstehen läßt,
die natürlich umgehend mit der DNA des anderen Strangs als Matrize
aufgefüllt werden. Das erklärt die Zielstellenverdoppelungen
bei jedem Insetionsereignis.
Während das Ty-Element und die IAP-Gene von den retrovirus-artigen
LTRs flankiert sind, lassen andere transponierbaren Elemente, die nach
bisherigen Untersuchungen ebenfalls über eine reverse Transkription
vermehrt werden, die LTRs vermissen, während die Zielstellenverdopplungen
vorkommen. So sind im Genom vieler Säugertiere einschließlich
unserer Species lange, verstreut liegende Sequenzwiederholungen verbreitet,
die als LINE-Elemente bezeichnet werden. Zwar ist der Mechanismus ihrer
Transposition nicht so gut untersucht wie der von den bisher genannten
Elementen, doch steht ihre Beweglichkeit außer Zweifel: so hat man
die Insertion eines LINE-1-Elements in das Gen für den Blutgerinnungsfaktor
VIII beobachtet, was dem Träger dieser Transposotion die Bluterkrankheit
bescherte.
Transposon und Retroposon: nicht nur begriffliche Vielfalt
Die Zahl der bekannten transponierbaren genetischen Elemente wächst
ständig. Trotz ihrer auf den ersten Blick verwirrenden Vielfalt und
ihrer ebenfalls etwas undurchsichtigen Bezeichnung als Transposon, Retrotransposon
oder Retroposon lassen sie sich auf zwei Grundtypen zurückführen,
die wir anhand der genannten Beispiele schon kennengelernt haben. Die Gemeinsamkeiten
einer Gruppe können allerdings hinter den spezifischen Eigenheiten
des jeweils betrachteten Vertreters maskiert sein.
Transponierbare genetische Elemente der ersten Gruppe sind DNA-Sequenzen
unterschiedlicher Größe, die an ihren Enden von invertierten
Sequenzwiederholungen (IRs = inverted repeats) begrenzt werden. Die zwischen
diesen IRs liegende DNA codiert für eine Transposase, die die IRs
erkennt, das gesamte Element aus dem Chromosom herausschneidet und an anderer
Stelle wieder integriert. Eine Vermehrung erfolgt bei diesen Elementen
nur, wenn das Transpositionsereignis während der DNA-Replikation an
der betreffenden Stelle stattfindet. Abgesehen davon ist ein Sprungereignis
nicht an eine Vermehrung geknüpft, und das inserierende Element ist
dasselbe, das vorher aus einer anderen Stelle hinausgeschnitten wurde.
In diese Gruppe gehört das P-Element bei Drosophila, daneben lassen
sich auch die prokaryontischen IS-Elemente und das Ac/Ds-System beim Mais
auf diesen Grundtypus zurückführen.
Die zweite Gruppe der transponierbaren genetischen Elemente ist sehr heterogen;
gemeinsam ist aber allen Mitgliedern die Vermehrung über ein RNA-Intermediat.
Die DNA solch eines Transposons ist fixiert und wird nicht ausgeschnitten.
Das Sprungereignis ist an eine Vermehrung geknüpft, die eine Transkription
in eine mRNA und eine reverse Transkription in eine cDNA einschließt.
Das inserierende Polynucleotid ist nicht dieselbe DNA wie die Ursprungs-DNA,
sondern nur die gleiche - nämlich eine zurückgeschriebene Kopie.
Aufgrund der Vermehrung über ein RNA-Intermediat, das revers transkribiert
wird und in Anlehnung an ähnliche Verhältnisse bei den Retroviren
nennt man solche Elemente auch "Retrotransposons". Die Verwandtschaft
dieser genetischen Systeme steht eigentlich außer Zweifel, zumal
in den Sequenzen von retro-transponierbaren Elementen sogar den Retroviren
entsprechende Gene vorkommen und das sogenannte "env"-Gen ("env"
für "envelope", also Umschlag - das Produkt dieses Gens
bildet die Virushülle) das einzige retrovirale Gen ist, das in keinem
Retro-Transposon vorkommt; nur über die Richtung wird noch gestritten.
Einerseits könnten Retroviren von Retrotransposons abstammen, die
durch Erwerben eines Hüllprotein-Gens die Fähigkeit erlangt haben,
die Wirtszelle zu verlassen, andererseits könnten Retrotransposons
verstümmelte Retroviren-DNAs darstellen, die nach Infektion einer
Zielzelle ihr env-Gen verloren haben und fortan zur intrazellulären
Vermehrung verdammt sind. Um Klagen seitens der Diskussionsgegner zu vermeiden,
beschränken wir uns hier darauf, die gegnerischen Positionen zu nennen,
weisen aber darauf hin, daß der zweite Ansatz eigentlich der wahrscheinlichere
ist.
Je nach Besitz oder Nichtbesitz langer terminaler Sequenzwiederholungen
(LTRs = long terminal repeats) erfolgt innerhalb der Retro-Transposons
eine Klassifizierung in Klasse I (mit LTRs: Ty-Elemente der Hefe, copia-Familie
bei Drosophila, IAPs der Maus) und Klasse II (ohne LTRs: FG- und I-Elemente
bei Drosophila, SINE-Familie der Säuger). Das Fehlen der LTRs scheint
grundsätzlich der Hauptunterschied zu sein, denn auch die offenen
Leseraster dieser Elemente zeigt deutliche Homologien zu retroviralen Genen,
und obwohl bisher weder eine Enzymaktivität noch ein Transpositionsmechanismus
beobachtet werden konnten, dürften diese Elemente ebenfalls für
eine Reverse Transkriptase codieren und sich über ein RNA-Intermediat
vermehren.
Das P-Element: Comeback für Drosophila
Nachdem verschiedene Drosophila-Arten, allen voran D.melanogaster und
D.hydei, lange als Haustierchen der Kreuzungsgenetik gedient und eine beachtliche
Liste bekannter Mutationen hervorgebracht hatten, geriet die Forschung
an der Fliege in den Verruf, antiquiert zu sein, wofür die Fliege
sicherlich nichts kann. Spätestens der erfreuliche Erfolg von Christiane
Nüsslein-Vollhardt (siehe "Die Fliege" von Detlef Wilkens,
BiOkular 14) macht aber deutlich, daß das Röhrchen für
Drosophila längst noch nicht dicht ist. Vielmehr erlebt der domestizierte
Zweiflügler aufgrund seiner Vorteile, die ihn zum Haustier der klassischen
Genetik werden ließen (einfach in genetischer Organisation und experimenteller
Handhabung), der damit verbundenen Bekanntheit sehr vieler Gene und Mutationen
und in letzter Zeit immer mehr der Anwendung moderner molekularbiologischer
Methoden eine Renaissance, die jeden Teilnehmer des "Kreuze-grünäugig/Wildtyp-mit-strubbelig/fehlfarben"-Praktikums
im Grundstudium erschaudert die Fliegenklatsche anspitzen läßt.
Noch rein akademisch interessant war die in den 60ern gemachte Beobachtung,
daß sich manche Drosophila-Stämme nur schwer miteinander kreuzen
lassen, da Nachkommen solcher Kreuzungen, wenn sie denn überhaupt
das Licht der Welt erblicken, eine Reihe von Macken haben. Dazu gehören
hohe Mutationsraten, Chromosomenanomalien einschließlich -brüche,
Segregationsfehler in der Meiose und Sterilität. Diese Erscheinung
wird als Hybrid-Dysgenese bezeichnet. Die Kreuzungs-Unverträglichkeit
ist asymmetrisch: Während die Paarung eines M-Männchens mit einem
P-Weibchen keine Probleme nach sich zieht, entsteht in umgekehrter Richtung
die Hybrid-Dysgenese. Danach entstanden auch die Bezeichnungen für
die Stämme: P für paternal contributing, M für maternal
contributing.
Mittlerweile ist die Ursache dieser Erscheinung bekannt: auch hierhinter
steckt ein springendes DNA-Stück, das in diesem Fall unter der Bezeichnung
P-Element geführt wird und zu den Transposons der ersten Kategorie
(ohne RNA-Intermediat) gehört. Das Element erstreckt sich über
2,9 kb, enthält vier offene Leseraster (die aufgrund der unglücklichen
Reihenfolge ihrer Entdeckung als ORF 0 - ORF 3 bezeichnet werden) und ist
von invertierten Sequenzwiederholungen flankiert. Interessant ist nun,
daß daraus zwei verschiedene Genprodukte gebildet werden können:
im Soma unterbleibt nämlich das Herausspleißen des Introns 3
(man beachte die Nummerierung: Intron 3 liegt zwischen ORF 2 und ORF 3!),
so daß - ein frühzeitiges STOP in der Intronsequenz macht's
möglich - ein verkürztes Protein entsteht. Dagegen wird in der
Keimbahn korrekt prozessiert, und das entstehende größere 87-kd-Protein
ist die aktive Transposase. Das P-Element unterdrückt - wahrscheinlich
wirkt das im Soma prozessierte verkürzte Protein als Repressor - seine
von ihm selbst codierten Eigenschaften. Jeder P-Stamm besitzt nun P-Faktoren
und dazugehörige Regulationseinheiten, während M-Stämme
über nichts davon verfügen. Die Eizelle eines P-Stammes ist somit
ausgeglichen und kann nicht durch das Genom eines P- (und schon gar nicht
durch das eines M-)-Spermiums außer Kontrolle gebracht werden. Anders
eine Eizelle des M-Cytotyps: sie besitzt weder das P-Element noch P-Kontrollfaktoren.
Wird sie durch ein Spermium mit P-Element befruchtet, kann sich dieses
in dem unregulierten Millieu richtig entfalten - und das stört die
heilige Ordnung auf den Chromosomen vorstellbar deftig! Warum wird nun
gerade dieses Element so ausgiebig besprochen? Weil sich damit unter dem
Oberbegriff "P-Element-Mutagenese" ein interessanter Anwendungsbereich
bietet, der bei uns in Düsseldorf durch die Arbeitsgruppe um Prof.Schäfer
vertreten wird.
Mit Hilfe der P-Element-Mutagenese ist es nun möglich, Mutationen
zu induzieren und gleichzeitig das mutierte Gen zu markieren. Dafür
geht man von zwei Drosophila-Stämmen aus, deren P-Elemente, jedes
auf seine eigene Art, defekt sind: das des einen Stammes besitzt zwar die
zur Exzission notwendigen IR-Sequenzen, allerdings mitten in der für
die Transposase codierenden Sequenz ein geeignetes Markergen, in der Regel
das Gen "white"; das den Einbau der Augenpigmente kontrolliert
(Wildtyp-Fliegen sind rotäugig, white-Mutanten weißäugig);
beim P-Element des anderen Stammes verhält es sich umgekehrt, ist
doch die Transposase funktionstüchtig, jedoch aufgrund defekter IR-Sequenzen
nicht imstande, das Transposon auszuschneiden. Wenn diese beiden Elemente
durch Kreuzung kombiniert werden, kann die Transposase des zweiten Stammes
("Jump starter") die zwischen den IR-Sequenzen des ersten Stammes
gelegenen DNA-Bereiche zur Transposition bringen. Ist das transposase-defekte
P-Element auf dem X-Chromosom lokalisiert (was in den meisten Experimenten
dieser Art der Fall ist), läßt sich eine erfolgte Transposition
in den folgenden Generationen daran erkennen, daß der genetische
Marker nicht mehr geschlechtsgebunden vorliegt.
Eine fortentwickelte Methodik, die als "Enhancer-trap" bezeichnet
wird, erlaubt darüberhinaus die Darstellung gewebespezifischer Expression
eines mutierten Gens. Als transponierendes P-Element wird dabei ein solches
eingesetzt, das unmittelbar auf den 5`terminalen invertierten Repeat das
lacZ-Gen von Escherichia coli innehat Gerät das P-Element nach einer
Transposition in der Nähe des starken positiven Regulationselements
eines aktiven Gens, wird die lacZ-Expression gesteigert, was sich mit Hilfe
einer geeigneten Färbung nachweisen läßt
Um eine erzeugte Mutation, die aufgrund einer Letal- oder Sterilitätswirkung
nicht im homozygoten Zustand gehalten werden kann, trotzdem stabilisieren
zu können, wird ein Balancer-Chromosom eingekreuzt. Man versteht darunter
ein Chromosom mit mehreren Inversionen, einem dominanten Marker und einem
rezessiven Letalfaktor. Die Inversion verhindert Crossover-Ereignisse,
die zum Verlust der erzeugten Mutation führen würden; der dominante
Marker gestattet die einfache Identifizierung; schließlich garantiert
der Letalfaktor, daß dieses Chromosom nicht in homozygotem Zustand
vorkommen kann (was sich bei den meisten dominanten Markern erübrigt,
da diese oft ebenfalls homozygot letal sind).
Diese Methodik erlaubt nicht nur die Detektion stadienspezifischer Genexpression
beim Modellorganismus Drosophila; ebenso läßt sich das P-Element
durch altbekannte Klonierungstechnik um interessante Gene bereichern und
somit als eukaryontisches Vektorsystem etablieren.
Transponierbare Elemente bei Prokaryonten
Mobile genetische Elemente kommen auch bei Bakterien vor - was nicht verwundern
darf, denn strenggenommen erfüllen ja auch die altbekannten Plasmide
diese Definition. Tatsächlich stehen diese ringförmigen, autoreplizierenden
DNA-Moleküle in enger Beziehung zu den sogenannten "IS-(= Insertions-)-Elementen".
Einfache prokaryontische Transposons wie das gut untersuchte Tn3 bestehen
aus einer codierenden Sequenz und den uns schon bekannten IR-Bereichen
an den Enden. Die codierende Sequenz beinhaltet Gene für die Transposition
und, im Unterschied zu den folgenden Beispielen, andere Gene, die mit der
Transposition nichts zu tun haben (wie beispielsweise für Antibiotikaresistenzen);
mitten drin außerdem die benachbart angeordneten Promotoren.
Im Gegensatz dazu weisen die IS-Elemente eine festgelegte Länge und
charakteristische Sequenzen auf, ohne funktionsfremde Gene zu beinhalten.
Die einzige Funktion der zwischen den auch hier vorkommenden IRs liegenden
Sequenz ist die Codierung einer Transposase.
Treten die etwa 1 kb langen IS-Elemente in Kombination mit größeren
Genabschnitten auf, so spricht man von zusammengesetzten Transposons, die
dann auch Resistenzgene übertragen können. Die an den Enden liegenden
IS-Sequenzen können gleich oder entgegengesetzt orientiert sein. Nach
Ausgliederung aus dem Bakteriengenom paaren sich komplementäre überlappende
Enden, und das mobile Element lebt als Plasmid weiter. Ein Beispiel für
ein solches zusammengesetztes Transposon ist das R-Plasmid (Abb. 5)
Die bakteriellen transponierbaren DNA-Sequenzen ähneln alles in allem
den eukaryontischen Transposons wie Ac/Ds oder P-Element. Sie codieren
zumindest primär für eine Transposase, sind von invertierten
Sequenzwiederholungen flankiert und können unabhängig von einer
Vermehrung selbst translozieren. Ein Unterschied besteht aber in der Präferenz
für die Zielstellen: während springende DNA-Sequenzen bei Prokaryonten
oft sequenzspezifisch inserieren, zeigen eukaryontische Transposons eher
eine deutliche Vorliebe für die offenen und von regulatorischen Proteinen
befreiten Chromosomenstrukturen aktiver Gene; kaum dagegen für irgendwelche
bestimmten Nucleotidsequenzen. Elemente vom Retrotransposon-Typ spielen
bei Prokaryonten nach heutigem Wissen keine Rolle.
Alu: Nicht nur Leichtmetall
Während eukaryontische Transposons den prokaryontischen ähneln
und Retrotransposons ihre Beziehungen zu bestimmten Viren nicht verstecken
können, läßt sich ausgerechntet die anteilsmäßig
wichtigste Familie solcher genetischer Elemente im menschlichen Genom in
keine der besprochenen Schubladen des geistigen Leichtmetalltresors einordnen.
Bei ihrer Entdeckung wurden kurze, vielfach wiederholte und im ganzen Genom
verstreut liegende Sequenzen bei Säugern zusammen als SINE-(short
interspersed nuclear elements)-Familie eingeordnet. Jede Art besitzt ihre
eigene Ausstattung von SINE-Elementen. So unterschiedlich die einzelnen
Sprößlinge dieser riesigen Gensippschaft auch sein mögen,
so haben auch sie einen gemeinsamen Nenner: alle sind ursprünglich
Kopien von Genen der Klasse III (Eukaryontische Gene werden nach der für
sie zuständigen RNA-Polymerase klassifiziert: Pol I transkribiert
Gene für ribosomale RNA außer für 5S-rRNA, Pol II die proteincodierenden
Gene und Pol III die Gene für die 5S-rRNA, die tRNAs und verschiedene
kleine RNA-Spezies mit Sonderfunktion)!
Eine solche Genfamilie findet sich bei Altweltprimaten einschließlich
Mensch: Die sogenannten Alu-Sequenzen stellen immerhin 5% des Humangenoms.
Natürlich bezieht sich der Name nicht auf das Element mit der Ordnungszahl
13, sondern auf das Restriktionsenzym AluI, mit dem man diese Sequenzen
zum ersten Mal zerlegt hat. Die Benennung ist geblieben, obwohl viele evolutiv
alte und von Mutationen sequenzverfälschte Familienmitglieder gar
keine Alu-Schnittstellen mehr aufweisen.
Obwohl dann und wann Gegenargumente auf den Plan kommen, weist alles darauf
hin, daß das Stammgen für die Alu-Sequenzen das durch die RNA-Polymerase
III transkribierte Gen für die 7SL-RNA ist. Es handelt sich dabei
um eine der vielen außerhalb der Genetik kaum bekannten strukturgebenden
RNA-Moleküle. Analog den Ribosomen, die ja auch auch Proteinen und
RNA-Anteilen bestehen, gibt es im Cytoplasma einer jeden Zelle Ribonucleoproteinpartikel,
die aus Proteinen und eben dieser 7SL-RNA bestehen und SRP ("single
recognition particle") heißen. Sie erfüllen die Aufgabe
eines molekularen Paketsortierers, indem sie die Signalsequenz einer nativen
Polypeptidkette erkennen, die in das endoplasmatische Retikulum gehört.
Anders als bei allen bisher besprochenen mobilen DNA-Sequenzen bringen
die SINE-Elemente auf den ersten Blick überhaupt nichts mit, was ihrer
Verbreitung nützlich wäre. Weder besitzen sie flankierende Erkennungsstellen
für tranlozierende oder replikative Enzyme, noch codieren sie für
Transposasen oder Reverse Transkriptasen. Und doch sind SINEs im allgemeinen
und Alu im speziellen die erfolgreichsten Nichtsnutzer auf DNA-Ebene, denn
man findet sie in der Nachbarschaft von Genen, in Introns, in der Satelliten-DNA
und vergesellschaftet mit anderen verstreut liegenden Sequenzwiederholungen.
Das Erfolgsrezept scheint in einer strukturellen Besonderheit der Pol III-Gene
zu liegen: Sie tragen nämlich ihren Promotor mitten im Gen, was zur
Folge hat, daß diese regulatorisch alles entscheidende Sequenz im
Genprodukt auftaucht.
Doch wie entstehen nun all diese Kopien des Stammgens? Niemand hat bisher
einen derartigen Vorgang beobachten können, doch sprechen bestimmte
Eigenschaften der Alu-Elemente dafür, daß sie durch reverse
Transkription einer 7SL-RNA entstanden und ins Genom reintegriert worden
sind, obwohl das völlig im Dunkeln läßt, wessen Reverse
Transkriptase das veranstaltet hat. Im Gegensatz zu den komplementären
RNA-Abschriften anderer Gene, die somit ihrer Regulationssequenzen beraubt
zu einem Dasein als impotente Pseudogene verdammt sind, behalten revers
transkribierte Pol III-Gene aber ihren Promotor und können damit auch
als Abschrift matrizenaktiv bleiben.
Parasitierende Sequenzen oder evolutive Schrittmacher?
Allmählich wird es höchste Zeit für die Frage, was die olympiareifen
Sprungleistungen derartiger DNA-Spezies für ihr Wirtsgenom bedeuten.
Mal ganz davon abgesehen, daß der zelleigene DNA-Replikationsapparat
mit enormem Aufwand große Mengen an Sequenzen mit durchzieht, deren
einziges Anliegen offensichtlich ihr eigenes Fortbestehen ist, so scheint
ihre Anwesenheit angesichts der möglichen Störungen der genomischen
Ordnung harmlosestenfalls nutzlos zu sein. Stellen wir uns noch dazu vor,
wie ungehobelt sich diese mobilen genetischen Elemente bei ihrer Arbeit
benehmen, so muß uns Angst und Bange werden, denn wo ein Transposon
herausspringt, entsteht erstmal eine Lücke im Chromosom, aus der ohne
viel Federlesen auch ein Bruch werden kann, wenn nicht sofort die (zugegeben
schnelle) Reparatur erfolgt; Andererseits integriert ein solches Element
ohne Rücksicht ausgerechnet in die in der jeweiligen Zelle transkriptionsaktivsten
und damit wichtigsten (weil aufgrund offener Struktur am besten zugänglichen)
Chromosomenabschnitte und zerstört somit möglicherweise die codierende
Sequenz eines Strukturgens oder eine Regulationssequenz. Nicht weniger
fatal mutet die prinzipielle Vermehrungsfreudigkeit der Retrotransposons
an, deren reverse Transkripte bei der Parkplatzsuche in der Chromosomenstruktur
ebenfalls keine Vorsicht walten lassen. In der Tat gehen nicht wenige genetische
Erkrankungen auf das Konto dieser vandalierenden Zellkernbanausen, und
ihren großen Anteil am Gesamtgenom im Hinterkopf muß man sich
wundern, daß unser Genom überhaupt noch einigermaßen stabil
ist.
Natürlich ist nichts so schlimm wie es auf den ersten Schall klingt.
Für gewöhnlich besitzen die DNA-Sequenzen mobiler genetischer
Elemente besonders schwache Promotoren, so daß die für ihre
Sprung- oder Vermehrungsaktivität notwendige Transkription nur selten
und mit verschwindender Aktivität anläuft. Wie wir beim P-Element
gesehen haben, reprimieren solche Gene über ihre Produkte noch dazu
ihre eigene Expression. Und vom Standpunkt der Evolution aus kann es sich
kein DNA-Element leisten, sein Wirtsgenom durch überschäumende
Aktivität mit Kopien zu überschwemmen oder strukturell zu zerstören.
Laufen Prozesse, die ungebremst all das zur Folge hätten, einigermaßen
gesittet ab, so können sie sogar einen Verdienst für die Phylo-
und Ontogenese des Wirtsgenoms beisteuern. Denken wir an Brüche, Inversionen
oder Translokationen und die damit verbundene Umordnung der Chromosomenstruktur,
die durch die Transpositionsereignisse begünstigt wird: Auf den ersten
Blick ist das ein Einschnitt in die Stabilität des Genoms, der schlimme
Folgen haben kann. Die schon angesprochene Gefahr der Zerstörung zusammenhängender
Sequenzen wäre das naheliegendste. Zu bedenken ist aber, daß
Strukturgene und Regulationsseqenzen nur einen recht geringen Anteil am
gesamten Chromosom ausmachen, so daß strukturumstoßende Prozesse
mit höherer Wahrscheinlichkeit unwichtige Stellen des Chromosoms betreffen.
Translokationsprozesse verändern aber den Abstand von Genen zueinander,
so daß vorher benachbart liegende Gene voneinander entfernt werden
und umgekehrt weit entfernt liegende Gene in Nachbarschaft gebracht werden.
Das verändert einerseits die Rekombinationshäufigkeiten und kann
andererseits auch die Expression betroffener Gene verändern, wenn
sich ihre Entfernung zu regulatorischen DNA-Bereichen ändert. Auch
die Duplikation bestimmter Gene (die im Endeffekt zu einer Serie ähnlicher,
aber verschiedener Ausführungsformen eines Genprodukts führen,
weil nach der Verfielfachung jede der Kopien unabhängig von der anderen
durch Mutationen verändert wird) dürfte auf Transpositionsereignisse
zurückzuführen sein. Die Gene für Isoenzyme oder die verschiedenen
Globinketten sind Beispiele für die Anlagen geringfügig unterschiedlicher
Produkte, von denen jeder Vertreter auf bestimmte Anforderungen (z.B. des
jeweiligen Gewebes oder des jeweiligen Entwicklungsstandes) besser spezialisiert
ist als die anderen die auf ein gemeinsames Stammgen zurückgehen.
So vorteilhaft diese genetische Vielfalt auch sein mag, so wenig wird sie
im Endeffekt geduldet, da die Genome von Individuen einer Art natürlich
nur dann miteinander harmonieren - und das ist die Grundvoraussetrzung
für geschlechtliche Vorgänge - wenn sie auf Ebene der Chromosomenarchitektur
übereinstimmen, so daß nach dem (r)evolutionsrelevanten Umbruch
der bestehenden Ordnung wieder der Zwang zur Gleichschalterei anläuft.
Die Entstehung modernerer Strukturen und die damit verbundenen Vorteile
für eine Population wird also mit der knallharten Negativselektion
gegen diejenigen Individuen erkauft, in denen die Neuerungen nicht so gut
funktionieren - eine bittere Analogie zur menschlichen Gesellschaft.