Blinde Passagiere im Erbgut

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1 30 mensch+umwelt spezial 16. Ausgabe 2003 Viren und Bakterien Blinde Passagiere im Erbgut Christine Leib-Mösch Ein Teil unseres Erbguts stammt von Bakterien und Viren. Bakterien wurden als Endosymbionten im Laufe der Evolution zu Zellorganellen wie den Mitochondrien. Ihre DNA wurde eher zufällig in das Genom eingebaut. Manche Viren hingegen, in deren Lebenszyklus die Integration in die zelluläre DNA essentiell ist, konnten wesentlich leichter dauerhaft in das Wirtsgenom übernommen werden. Der Zugewinn an Erbgut-Information erleichterte die Anpassung an veränderte Umweltbedingungen und bot Rohmaterial für neue Gene.

2 D ie Analyse des menschlichen Genoms hielt einige Überraschungen bereit: Neben Genen, die von einstmals parasitären Bakterien stammen, enthält das menschliche Genom auch umfangreiche Bereiche viralen Ursprungs: Vor etwa 40 bis 70 Millionen Jahren infizierten Retroviren die Keimbahnzellen unserer Vorfahren und haben sich seither im Genom weiter vermehrt. Inzwischen umfassen diese Sequenzen etwa neun Prozent des menschlichen Erbguts, das ist fünfmal mehr, als der Anteil der Protein-kodierenden Gensequenzen ausmacht, und es gibt zahlreiche Hinweise, dass sie für die Wirtszellen wichtige Funktionen übernommen haben. Grafiken: Aventis/ Pasteur/MSD Foto: GBF Die Endosymbionten-Hypothese Die meisten bakteriellen Gene im menschlichen Genom wurden wohl von ehemals parasitären Bakterien erworben. Einige dieser Parasiten wurden im Laufe der Evolution zu Endosymbionten der eukaryotischen Zelle. Später entstanden daraus Zellorganellen wie zum Beispiel die Mitochondrien. Für die eukaryotische Zelle waren diese symbiontischen Bakterien zunächst wichtig, um das Zellgift Sauerstoff zu eliminieren, das sich durch die Photosynthese vor etwa zwei Milliarden Jahren in der Atmosphäre anreicherte. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der Mitochondrien Sauerstoff für die Energieproduktion verwertet werden. Im Laufe der Anpassung verloren die Endosymbionten-Genome jedoch einen Großteil ihrer Gene, die in den Zellkern überführt und in die chromosomale DNA der eukaryotischen Zelle eingebaut wurden. So liegt die Bauanleitung der meisten für die Zellatmung wichtigen Proteine inzwischen im Kern, obwohl sie ursprünglich aus dem mitochondrialen Genom stammen. Neben diesen funktionstüchtigen mitochondrialen Genen enthält das menschliche Genom etwa 600 weitere integrierte mitochondriale Pseudogen -Sequenzen, das heißt Gene, die ihre ursprünglichen Funktionen verloren haben, darunter drei fast komplette mitochondriale Genome. Insgesamt entsprechen diese Sequenzen etwa 0,2 Promille des humanen Genoms. Neben den schon von der primitiven eukaryotischen Zelle genutzten mitochondrialen Genen wurden im menschlichen Erbgut noch etwa 20 Protein-kodierende Sequenzen identifiziert, deren Genprodukte bakteriellen Proteinen auffallend ähnlich sind. Man findet diese Gene ausschließlich im Genom von Wirbeltieren, aber nicht in den Genomen von wirbellosen Organismen, wie Insekten, Würmern und Hefe. Einige dieser Proteine sind Transferasen, das heißt Enzyme, die andere Proteine chemisch modifizieren; die Funktion der meisten ist jedoch unbekannt. Es ist noch umstritten, ob diese Sequenzen tatsächlich durch einen sogenannten horizontalen Transfer von Bakterien zu frühen Wirbeltieren erworben wurden. Unter horizontalem Gentransfer versteht man die Übertragung von Genen über Artgrenzen hinweg, also ohne die Partner im klassischen Sinn zu kreuzen. Eine andere Erklärung wäre, dass diese Gene zwar in der frühen eukaryotischen Zelle noch vorhanden waren, dann aber im Laufe der Evolution in der Linie der wirbellosen Organismen verloren gingen, weil sie dort ihre Funktionen verloren hatten und nicht mehr gebraucht wurden. Wenn endogene Retroviren aktiviert werden hier gezeigt am Beispiel menschlicher Teratokarzinomzellen können sie virale Partikel bilden. Diese schnüren sich von der Zellmembran ab (a, b) und werden schließlich frei gesetzt (c). Ob diese Partikel andere Zellen infizieren können, ist noch nicht geklärt. Fotos: Boller 31

3 Blinde Passagiere im Erbgut Das Genom ein Museum viraler Infektionen? Umfassen die bakteriellen Sequenzen mit rund 0,2 Promille nur einen winzigen Bruchteil des humanen Genoms, so ist der Anteil an viraler DNA ungleich höher: Sequenzen, die sich von Retroviren herleiten, bilden etwa neun Prozent des menschlichen Erbguts. Diesen hohen Anteil verdanken Retroviren zwei bemerkenswerten Eigenschaften: Im Gegensatz zu den meisten anderen Viren müssen Retroviren, um sich vermehren zu können, ihr Genom in das Erbgut der Virus-Infektionen haben über Jahrmillionen hinweg Spuren hinterlassen: Etwa neun Prozent der menschlichen DNA ist viralen Ursprungs. Grafik: Seifarth, Quelle: Nature 405, 2001 Wirtszelle integrieren. Dieser Vorgang, der für andere Parasiten eher ein zufälliges Ereignis ist, ist für Retroviren ein unabdingbarer Schritt in ihrem Replikationszyklus und wird von extra dafür bereit gestellten viralen Enzymen gesteuert. In seiner integrierten Form wird das Retrovirus auch als Provirus bezeichnet. Erfolgt diese Integration nun in einer Keimzelle des Wirts, so wird das Provirus zu einem endogenen Retrovirus (ERV). Das virale Genom wird von nun an entsprechend den Mendelschen Nur das Nötigste eingepackt: Retroviren bestehen lediglich aus der Virushülle, dem Kapsid, der viralen RNA und einer handvoll wichtiger Enzyme (links). Ansonsten greifen sie auf die Ausstattung der Wirtszelle zurück. Nach deren Infektion synthetisiert das Enzym reverse Transkriptase anhand der RNA-Vorlage die komplementäre DNA (cdna), die anschließend in das Genom integriert wird. Endogene Retroviren können sich auf verschiedene Weise vermehren (rechts): Horizontal durch Bildung von Viruspartikeln, die andere Zellen infizieren, vertikal durch Vererbung auf die Tochterzellen bei der Zellteilung und intrazellulär durch Retrotransposition. Grafiken: Seifarth 32 mensch+umwelt spezial 16. Ausgabe 2003

4 DNA-Unterschiede in % Neuweltaffen Krallenäffchen, Klammerschwanzaffen Pavian Gibbon Altweltaffen Orang -Utan Gorilla Schimpanse Mensch Vor Mio. Jahren bei der Zellteilung eine Störung für den Ablauf der chromosomalen Rekombination darstellen: Bei der Rekombination vor der Teilung von Keimzellen werden korrespondierende DNA-Abschnitte zwischen den Chromosomen eines Chromosomenpaares ausgetauscht. Retrovirale Sequenzen können dabei korrespondierende DNA-Abschnitte vortäuschen und so zu Brüchen führen, die den Verlust oder Austausch einzelner Chromosomenteile zur Folge haben. Humane endogene Retroviren (HERVs) gelangten in verschiedenen Abschnitten der Evolution in das Primaten-Genom, wurden durch Retrotransposition vervielfältigt und über alle Chromosomen verteilt. Ein HERV-Element, das in der Nähe eines Amylase-Gens integriert wurde, ist für die Aktivität dieses Enzyms im Speichel verantwortlich. Grafik: Seifarth Gesetzen auf die Nachkommen des Wirts vererbt. Die zweite bemerkenswerte Fähigkeit von Retroviren besteht darin, dass sich auch defekte Viruskopien, die ihre Replikationsfähigkeit eigentlich verloren haben, noch innerhalb einer Zelle durch einen Mechanismus, der als Retrotransposition bezeichnet wird, vermehren können. Sie benötigen dazu lediglich die Enzyme Reverse Transkriptase und Integrase, für die sie selbst kodieren, oder die ihnen von anderen Retroelementen zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise können hunderte bis tausende Viruskopien produziert und an beliebigen Stellen neu in das Genom integriert werden. Innerhalb von etwa 70 Millionen Jahren haben sich humane endogene Retroviren (HERVs) so über alle Chromosomen verteilt. Es ist zu vermuten, dass sich der Organismus im Laufe der Evolution dieses Ballastes wieder entledigt hätte, wenn diese Sequenzen völlig funktionslos wären. Allein der hohe Energieaufwand, der nötig ist um die DNA bei jeder Zellteilung zu verdoppeln, hätte sie mit der Zeit eliminiert. Tatsächlich mehren sich jedoch die Hinweise, dass diese Eindringlinge im Laufe der Jahrmillionen von ihrem Wirt für seine Zwecke instrumentalisiert wurden: Nicht nur können sie eine rasche Anpassung an veränderte Umweltbedingungen bewirken, indem sie hohe Rekombinationsraten ermöglichen, sondern sie können auch selbst das Rohmaterial zur Bildung neuer Gene und Genvarianten liefern. Dabei hilft ihnen, dass sie im Genom weit verbreitet sind. Endogene Retroviren können, wie andere repetitive DNA-Elemente auch, Virales Syncytin am Aufbau der Plazenta beteiligt Das virale Hüllprotein Env befähigt Retroviren einerseits dazu, an eine Zielzelle zu binden und in sie einzudringen, andererseits kann es auch die Fusion von Env produzierenden Zellen zu vielkernigen Riesenzellen (Synzytien) auslösen. Nun hat sich herausgestellt, dass das Env-Protein eines bestimmten humanen endogenen Retrovirus, HERV-W, mit dem Protein Syncytin identisch ist, welches für den Aufbau der menschlichen Plazenta benötigt wird. In diesem Fall beeinflussen also retrovirale Sequenzen ent- Syncytin, ein virales Protein, ist am Aufbau der menschlichen Plazenta beteiligt. Es wird durch ein virales env-gen kodiert. Das Protein bewirkt die Bildung einer Zellschicht, die die Plazenta in der Gebärmutterschleimhaut verankert. Möglicherweise unterdrückt das Protein auch die Immunabwehr der Mutter gegen den sich entwickelnden Embryo. Grafik: Seifarth 33

5 Blinde Passagiere im Erbgut HERV-L Lungen Pankreas Astrozyten Leber Hautkera- Epithel Brustdrüse fibroblasten tinozyten HERV-H Lungen Pankreas Astrozyten Leber Hautkera- Epithel Brustdrüse fibroblasten tinozyten In jedem Gewebetyp sind andere HERV-LTRs aktiv. Transkriptionsfaktoren, die an bestimmte Signalsequenzen binden, können die Gene gewebespezifisch anoder abschalten. Grafik: Leib-Mösch HERV-LTRs können auf unterschiedliche Weise in die Genregulation eingreifen: Sie können Promotor- (A) oder Enhancersequenzen (B) zur Verfügung stellen oder Transkripte durch Polyadenylierung terminieren (C). Grafik: Leib-Mösch scheidend die Biologie des Menschen. Syncytin wird von fetalen Zellen synthetisiert und ist verantwortlich für die Bildung einer Zellschicht der Plazenta, die durch Zellfusion entsteht und als Syncytiotrophoblast bezeichnet wird. Sie verankert die Plazenta in der Gebärmutterschleimhaut und ist mit für die Versorgung des Embryo und den Abtransport von Abfallstoffen zuständig. Dieser Vorgang ist lebenswichtig, denn vermutlich wird durch eine Fehlfunktion von Syncytin unter anderem eine gefährliche Schwangerschaftskomplikation, die Gestose, verursacht. Möglicherweise verhindert das retrovirale Protein durch seine immunsuppressiven Eigenschaften auch die mütterliche Immunabwehr gegen den sich entwickelnden Embryo. Die hartnäckigsten Überbleibsel: Retrovirale Kontrollsequenzen Der größte Teil der retroviralen Sequenzen im humanen Genom wird jedoch nicht von Protein-kodierenden Genen, sondern von 34 mensch+umwelt spezial 16. Ausgabe 2003

6 HERV-LTRs enthalten alle Kontrollsequenzen, die für die Genexpression benötigt werden. Grafik: Leib-Mösch sogenannten LTR-Sequenzen (long terminal repeats) gestellt. Die LTRs bilden die beiden Enden des Provirus und enthalten die Steuerelemente für die virale Genexpression. Im Laufe der Evolution wurde durch Rekombination der beiden LTRs miteinander ein großer Teil der integrierten proviralen Sequenzen wieder aus dem Genom entfernt, wobei jeweils eine einzelne LTR erhalten blieb. Das erklärt den hohen Überschuss an solitären LTRs, die etwa 8,5 Prozent des Genoms stellen, im Vergleich zu kompletten proviralen Sequenzen, die nur etwa 0,5 Prozent ausmachen. Damit stellen endogene retrovirale LTRs ein nahezu unerschöpfliches Reservoir an regulativen Sequenzen dar, die im Laufe der Evolution für die Modifizierung von Genfunktionen oder für die Generierung neuer Gene genutzt werden konnten. Im Gegensatz zu den kodierenden Gensequenzen, die in den Proviren häufig durch Punktmutationen inaktiviert sind, haben die meisten HERV-LTR Sequenzen (das gilt auch für die zahllosen solitären LTRs) tatsächlich über Millionen von Jahren hinweg ihre Aktivität bewahrt. Untersuchungen an rund 100 HERV-LTRs, die mehr oder weniger willkürlich aus dem humanen Genom isoliert wurden, haben gezeigt, dass noch wenigstens zwei Drittel dieser Sequenzen aktiv sind und die Expression eines beliebigen Gens kontrollieren können. Wenn man nun isolierte LTR-Sequenzen an ein Reportergen (Indikatorgen) koppelt, wie zum Beispiel das Gen für das Enzym Luziferase oder das GFP-Gen aus Leuchtquallen, das für ein grün fluoreszierendes Protein kodiert, und diese Konstrukte dann in verschiedene humane Zellinien einschleust, kann man verfolgen, in welchem Zelltyp bestimmte HERV-LTRs aktiv oder nicht aktiv sind. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass HERV-LTRs Gene gewebespezifisch an- oder abschalten können. So ist zum Beispiel die HERV-L LTR nahezu ausschließlich in Keratinozyten der menschlichen Haut aktiv. Die gewebespezifische Aktivität dieser LTR wird durch Transkriptionsfaktoren in der Zelle vermittelt, die an bestimmte Signalsequenzen in der LTR binden. LTRs befehlen Start und Stop Wie bereits erwähnt, enthalten retrovirale LTRs alle Regulationselemente, die für die Genexpression benötigt werden. Das sind insbesondere Signalsequenzen, welche die Transkription initiieren oder verstärken, wie Promotoren oder Enhancer, sowie Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren, die für die Gewebespezifität der Transkription verantwortlich sind. Darüber hinaus können sie auch Transkripte auf verschiedene Weise terminieren und durch Bereitstellung von Polyadenylierungssignalen mrnas stabilisieren. Sie stellen damit ein immenses Reservoir an regulatorischen Sequenzen dar, welche die Expression benachbarter zellulärer Gene kontrollieren können. Die Insertion einer LTR kann für die Gene der Umgebung vielfältige Konsequenzen haben: Sie erhöht oder senkt die Transkriptionsrate, verändert die Gewebespezifität eines Gens oder sorgt durch alternatives Spleißen für die Bildung neuer Genprodukte mit veränderten Funktionen. Auf diese Weise können HERV-Sequenzen zur genetischen Variabilität des Phänotyps und damit auch zur Entwicklung der Spezies beigetragen haben. Gene unter viraler Kontrolle Ein gut dokumentiertes Beispiel dafür, wie eine HERV-LTR die Gewebespezifität der Genexpression beeinflussen kann, ist das Verdauungsenzym Amylase. Wir besitzen fünf Amylase-Gene, wovon zwei in der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) und drei in der Speicheldrüse des Mundes aktiv sind. Dass der Mensch im Gegensatz zu vielen anderen Säugern Amylase im Speichel bilden kann, verdankt er der Insertion eines HERV-Elements, das den Pankreas-spezifischen Promotor eines AmylaseGens in einen Speicheldrüsen-spezifischen umwandelte. Durch die Amylasebildung im Speichel kann die Nahrung besser aufgeschlossen werden, was unseren Vorfahren möglicherweise im Laufe der Evolution Wettbewerbsvorteile verschafft hat. Ein anderes Beispiel ist die Steuerung des Körperfettgehaltes, an der das Hormon Leptin entscheidend beteiligt ist: Die Expression des humanen Leptin-Gens und des Leptinrezeptor-Gens, wird wahrscheinlich durch Steroidhormoninduzierbare LTR-Sequenzen reguliert. Anhand von Datenbankrecherchen konnte auch ein HERV-LTR-Typ entdeckt werden, der in der Promotorregion unterschiedlicher kernkodierter mitochondrialer Proteine lokalisiert ist. Es gibt Hinweise dafür, dass diese HERV-LTR-Sequenzen spezifische Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen zur Verfügung stel- 35

7 Blinde Passagiere im Erbgut len, die für die koordinierte Expression dieser Gene verantwortlich sind. HERV-LTR-Sequenzen sind aber nicht nur an der Initiation, sondern auch an der Termination zellulärer Transkripte beteiligt: Zum Beispiel wurden aus einer menschlichen Brustkrebszelllinie eine Reihe von Transkripten isoliert, deren Polyadenylierungssignal von einer HERV-LTR zur Verfügung gestellt wird. Diese Polyadenylierungsfunktion ist nicht nur für den Transport der mrna aus dem Zellkern in das Zytoplasma, sondern auch für die Stabilisierung der mrna essentiell. Eines dieser LTR-polyadenylierten Transkripte kodiert für eine humane Transmembran-Tyrosinkinase, die Wachstumssignale auf Gefäßzellen (endotheliale Zellen) überträgt und einerseits für die Entwicklung der Blutgefäße im Embryo wichtig ist, anderseits aber auch an der Entstehung lymphatischer Tumore beteiligt sein kann. Derzeit sind ungefähr 20 menschliche Gene bekannt, deren Expression von retroviralen Kontrollsequenzen reguliert wird. Im menschlichen Genom konnten jedoch bisher schon mindestens bis retrovirale LTRs durch Sequenzanalysen identifiziert werden, so dass zu erwarten ist, dass sich der Einfluss dieser Sequenzen auf Genfunktion und Genomevolution als noch sehr viel größer erweisen wird, als bislang vermutet wurde. Insgesamt werfen die hier vorgestellten Erkenntnisse über den Austausch von genetischem Material unter Eukaryoten, Bakterien und Viren ein völlig neues Licht auf die Beziehungen zwischen Wirt und Parasit und ihre lange gemeinsame Entwicklung. Literaturhinweise: Boeke, J.D., Stoye, J.P.: (1997) Retrotransposons, Endogenous retroviruses and the Evolution of Retroelements. In: Retroviruses. (J.M. Coffin, S.H. Hughes, H.E. Varmus, Eds.), Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY Doolittle, W.F.: (2000) Stammbäume des Lebens. Spektrum der Wissenschaft, 4/00, 52 International Human Sequencing Consortium: (2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409, Mouse Genome Sequencing Consortium: (2002) Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome. Nature 420, Sverdlov, E.: (2003, Ed.) Retroviruses and Primate Genome Evolution. Landes Bioscience, Georgetown, TX Internettipps Genomic Scrap Yard nih.gov/cbbresearch/makalowski/scrap Yard Transposons und DNA Rekombination: Schrittmacher in der Evolution und Genetik, Vorlesung an der Universität Heidelberg, unter lesung.htm Beispiele für HERV-LTR-regulierte Genexpression HERV-Typ Funktion Gen unter Kontrolle Beitrag zur Proteinsequenz, Modifikation des Transkripts HERV-R Promotor Krüppel-verwandtes Zinkfingergen plk nein HERV-E Promotor Opitz-Syndrom-Gen Mid1 verkürztes Transkript HERV-E Enhancer Amylasegen der Speicheldrüse nein HERV-K Enhancer Leptingen nein HERV-K Polyadenylierung Leptinrezeptorgen 67 Aminosäuren, verkürztes Transkript HERV-K Polyadenylierung Transmembran-Tyrosinkinase-Gen FTL4 nein 36 mensch+umwelt spezial 16. Ausgabe 2003