Wandernde Gene

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EINBLICKE NR.26	OKTOBER 1997

FORSCHUNGSMAGAZIN DER CARL VON OSSIETZKY UNIVERSITÄT OLDENBURG

von Johann de Vries und Wilfried Wackernagel

Bekannterma�en werden Gene von Eltern an die Nachkommen weitergegeben, also von Generation zu Generation (vertikaler Gentransfer). Neuere Forschungen zeigen jedoch auch F�lle von Gentransfer zwischen Individuen einer Generation (horizontaler Gentransfer), und dies sogar auch zwischen sehr verschiedenen Organismen. Ebenso wurden sich ausbreitende "springende Gene" beobachtet - Erbmaterial wandert durch die Reiche der Lebewesen.

Gene sind seit der Debatte um gentechnisch ver�nderte Lebensmittel in aller Munde. Im w�rtlichen Sinne sind sie es schon immer gewesen: seit jeher nehmen wir beim Verzehr von Gem�se, Fleisch, Joghurt usw. die Gene von Lebewesen, also von Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien, zu uns. Lebewesen bestehen aus Zellen, deren Zellkerne die Gene beherbergen, die das Leben eines jeden Organismus m�glich machen. Sie verleihen ihm seine typischen und individuellen Eigenschaften und F�higkeiten. Im einzelnen sorgen sie f�r den Ablauf der Entwicklung des Organismus, f�r den Stoffwechsel, der aus Nahrungsmitteln k�rpereigene Substanzen aufbaut und Energie liefert, und sie steuern auch Verhaltensweisen. Die Gesamtheit der Gene eines Organismus wird als sein Genom bezeichnet. Es kann, wie bei Bakterien, aus einem einzigen Chromosom mit ca. 5.000 Genen bestehen. Bei den h�heren Organismen dagegen setzt sich das Genom aus mehreren Chromosomen zusammen. Die Anzahl der Gene wird beim Menschen auf etwa 100.000 gesch�tzt. Das Genom wird mit gr��ter Genauigkeit immer wieder an die Nachkommen vererbt (vertikaler Gentransfer).

Der Schl�ssel dazu, wie Gene z.B. die Entwicklung eines Menschen aus einer befruchteten Eizelle zur ausgewachsenen Person steuern, liegt in der Abfolge der vier Genbausteine (den Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin) in der Erbsubstanz (DNA, Desoxyribonukleins�ure). Aufgrund zahlreicher Analysen der Basenabfolge von Genen wurde inzwischen deutlich, da� bei entwicklungsgeschichtlich nah verwandten Organismen, z.B. Mensch und Maus, die Sequenz�hnlichkeit von Genen mit gleicher Funktion relativ gro� ist. Bei sehr entfernt verwandten Organismen ist die �hnlichkeit sehr gering oder nicht erkennbar.

Nun haben die Sequenzanalysen aber in einigen F�llen zu h�chst �berraschenden Ergebnissen gef�hrt. Zum Beispiel fand man, da� ein Gen einer Pflanze auch in dem Darmbakterium Escherichia coli vorkommt. Wie ist das Gen aus einem Chromosom der Pflanze in das Chromosom des Bakteriums gelangt? Beide Organismen haben keine gemeinsamen Vorfahren in der Evolution, von denen sie das Gen geerbt haben k�nnten. Also mu� hier eine Genwanderung stattgefunden haben. Wie ist das vorstellbar? Ein anderer Befund, der schon vor Jahren erhoben und inzwischen in vielen Einzelheiten belegt worden ist, ist das Ph�nomen der "springenden Gene" oder Transposons. Diese genetischen Elemente wechseln gelegentlich ihren Ort in den Chromosomen eines Organismus, d.h. sie transponieren. Solche Transposons kommen, wie man inzwischen wei�, bei allen Arten von Lebewesen vor, auch beim Menschen. Sie k�nnen sich mit zus�tzlichen Genen versehen und diese beim Transponieren mitnehmen. Aus diesem und anderen Beispielen ergibt sich das Bild, da� sich in der Natur offenbar mobile Erbanlagen und Wanderwege f�r Gene entwickelt haben. Nutzt die Natur diese auch heute noch, indem Organismen Gene in ihr Genom aufnehmen? In der Gentechnik ist die Verpflanzung von Genen aus einem Organismus in einen anderen bekanntlich das methodische Herzst�ck. Tats�chlich k�nnen wir aber auch in der Natur die Wanderung von Genen heute in einer Reihe von F�llen verfolgen, und zwar sowohl zwischen Organismen der gleichen Art wie auch zwischen weniger verwandten und sogar zwischen nicht verwandten (wie Bakterium und Pflanze).

Genwanderung bei Fruchtfliegen

Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist seit den 20er Jah-ren dieses Jahrhunderts eines der bedeutendsten genetischen Forschungsobjekte. Fruchtfliegen aus vielen Regionen der Erde wurden seit jenen Jahren immer wieder gefangen und in die Stammsammlungen von Forschungsinstituten aufgenommen und fortgez�chtet. Vor einigen Jahren entdeckte man bei neu gefangenen Fruchtfliegen ein Transposon, das sogenannte P-Element. Zu einer richtigen Sensation wurde es, als sich herausstellte, da� die Fliegen aus den alten Sammlungen fast nie das Transposon enthielten, w�hrend neu gefangene Tiere, von welchem Kontinent auch immer, dieses Transposon sehr h�ufig aufwiesen. Eine Zeitanalyse zeigte, da� Ende der 60er Jahre eine weltweite Invasion der Best�nde von Drosophila melanogaster durch das P-Element eingesetzt hatte. Die epidemieartige Verbreitung erfolgt vermutlich bei der Befruchtung. Besitzt ein Kreuzungspartner das Transposon, dann springt es in den Nachkommen auch auf die transposonfreien Chromosomen �ber, d.h. die Nachkommen geben das Element dann mit 100%iger Chance wiederum an ihre Nachkommen weiter. Der Ursprung des Elementes ist noch unklar. Ein weiterer, nicht weniger �berraschender Wanderweg dieses Elementes wurde inzwischen offenbar. W�hrend die meisten der verwandten Fruchtfliegenarten, die sich nicht mit D. melanogaster paaren, erwartungsgem�� das P-Element nicht aufweisen, hat man inzwischen zwei fernere Verwandte gefunden (D. willistoni und D. obscura), die h�ufig das P-Element tragen. Wie ist es in diese Arten gekommen oder aus diesen in D. melanogaster? M�glicherweise wurde das Element durch einen Parasiten �bertragen, z.B. eine Milbe, die alle drei Arten von Drosophila bef�llt. Das k�nnte bedeuten, da� mit der �bertragung von K�rpers�ften oder Zellen beim Milbenstich auch Gene �bertragen werden. Ein solcher Genweg w�re allgemein durch stechende und saugende Insekten denkbar. Die �bertragung von Krankheitserregern auf diesem Weg ist schon lange bekannt.

Ein Weg f�r Bakteriengene in Pflanzenzellen

Bestimmte Bakterien verf�gen �ber die erstaunliche F�higkeit, Gene in die Zellen h�herer Organismen einzuschleusen. Sehr genau ist der Vorgang bei Agrobacterium tumefaciens untersucht. Wenn ein solches Bakterium eine Pflanze infiziert, veranla�t es die Bildung eines DNA-Kanals, durch den Erbmaterial der Bakterien transportiert wird. Dieses gelangt schlie�lich in den Kern der Pflanzenzelle. Die bakteriellen Gene bringen nun die Pflanzenzelle dazu, sich h�ufiger zu teilen (Tumorbildung) und bestimmte N�hrstoffe zu produzieren und abzugeben. Von diesen leben die Bakterien als Schmarotzer. Agrobakterien k�nnen auf diese Weise in zahlreichen, sehr unterschiedlichen Pflanzenarten parasitieren. Wir haben hier einen nat�rlichen Fall von aktivem horizontalen Gentransfer aus Bakterien in h�here Organismen vor uns. Dieser Proze� wird seit einigen Jahren in der Gentechnik genutzt. Die DNA der Agrobakterien kann gentechnisch ver�ndert werden, um gezielt bestimmte Gene in den Zellkern von Pflanzen einzubringen. Viele der gentechnisch erzeugten neuen Sorten von Kulturpflanzen (z.B. bestimmte Sorten von Raps, Kartoffeln, Mais, Nelken) sind so hergestellt worden.

Fremdgene finden sich in vielen Organismen

Gene, die nicht springen k�nnen und die offenbar auch nicht Teil eines organisierten Gentransferprozesses wie bei Agrobakterien sind, wechseln dennoch gelegentlich den Organismus. Bei der Analyse von Erbanlagen kommen immer neue Belegf�lle hierf�r zutage und machen aus der n�chternen Sequenzanalyse eine h�chst spannende Forschung. Bei diesen Untersuchungen helfen auch die Genom-Projekte, bei denen die Gesamtheit der Gene von etlichen Bakterien, Pilzen, Pflanzen und auch vom Menschen analysiert wird. Hierbei zeigt sich, da� Gene gelegentlich von Pflanzen auf Bakterien �bergegangen sind und umgekehrt, aber auch von Bakterien auf Tiere oder von Pilzen auf Pflanzen.

Gelangt ein fremdes Gen in eine Zelle, kann es entweder als Zusatz die Zahl der Gene erh�hen (Addition) oder vorhandene Gene ersetzen (Substitution). F�r die genetische Weiterentwicklung des Organismus k�nnen beide M�glichkeiten f�rderlich sein: Er erh�lt Erbanlagen, die ihn vielleicht mit neuen Eigenschaften ausstatten. Die �bertragungswege sind bisher in keinem Fall bekannt. Allerdings lassen einige F�lle vermuten, da� bei engem Zusammenleben der Organismen gelegentlich ein horizontaler Gentransfer eintritt, z.B. zwischen Bakterien und Pilzen im Pansen von Rindern oder zwischen Bakterien und Pflanzenzellen, wenn die Bakterien im Innern von Pflanzen als Symbionten leben.

Gen�bertragungen bei Bakterien

Bakterien tauschen, das wurde schon vor ca. 50 Jahren entdeckt, ebenfalls untereinander Gene horizontal aus. Anders als bei den �brigen Lebewesen ist die Erforschung dieser nat�rlichen Transferprozesse bei Bakterien schon recht weit vorgesto�en. Danach werden Gene, �hnlich wie zwischen Agrobakterien und Pflanzen, im Verlauf von Zell-zu-Zell-Kontakten �bertragen. Oder aber die Bakterien nehmen das entlassene Erbmaterial aus abgestorbenen Zellen aktiv auf und integrieren es in ihr Genom. Schlie�lich k�nnen auch manche Viren Gene von einer Zelle auf eine andere �bertragen. Im Reagenzglas lassen sich diese Prozesse unter geeigneten Bedingungen gut nachvollziehen. Im Rahmen eines gr��eren Forschungsprojektes haben wir gezeigt, da� auch in der Umwelt Gene in Form nackter DNA z.B. zwischen Bodenbakterien �bertragen werden k�nnen. Selbst sehr unterschiedliche Bakterien k�nnen Erbmaterial austauschen.

Dies f�hrt zu einem unerwarteten Paradoxon: manche Bakterienarten sind seit mehr als 100 Millionen Jahren vorhanden und haben sich trotz der M�glichkeit des Genaustausches offenbar kaum ver�ndert. Eine Untersuchung ihrer Genome zeigt, da� diese sich wie ein Mosaik aus Genen unterschiedlicher Herkunft zusammensetzen. Es mu� daher vermutet werden, da� die Aneignung von Genen f�r einen Organismus ein erfolgreicher Weg ist, sich z.B. an ver�nderte Umweltbedingungen anzupassen, ohne dabei wichtige Grundeigenschaften zu verlieren. Beispiele daf�r erhalten wir heute aus vielen Bereichen der Bek�mpfung von Infektionskrankheiten. Krankheitserregende Bakterien passen sich durch "Erwerb" von Antibiotikumsresistenzgenen an den Einsatz der Antibiotika in der Therapie an. Dies ist praktisch unvermeidbar, da die nat�rlichen Gentransferprozesse bislang nicht unterbindbar sind. Es wurde nachgewiesen, da� die Verbreitung der Unempfindlichkeit gegen Penicillin, z.B. unter den Erregern von Tripper (Neisseria gonorrhoeae) oder Gehirnhautentz�ndung (Neisseria meningitidis), und sogar auch zwischen diesen beiden, durch Weitergabe der Resistenzgene erfolgt. Die ungezielte Verwendung von Antibiotika erzeugt den Selektionsdruck f�r die beschleunigte Wanderung der Gene.

Gentechnik und Gentransfer

Die nat�rlichen Genwanderungen werden h�ufig als eines der Risiken gesehen, die mit der Ausbringung von gentechnisch ver�nderten Organismen in die Umwelt verbunden sind. Wenn Pflanzen, Pilze und Bakterien ihr Erbmaterial n�mlich in die Umwelt abgeben w�rden, k�nnte die rekombinante DNA unerw�nscht in andere Organismen gelangen. Unsere eigenen Untersuchungen im Rahmen der Sicherheitsforschung haben gezeigt, da� DNA von Bakterien und Pflanzen tats�chlich in die Umwelt abgegeben wird, dort �berdauern und auch wieder in Bakterien aufgenommen werden kann. Die so nachgewiesenen Transferwege sind vermutlich schon so lange wirksam, wie es Organismen gibt. Auf diese Weise konnten in Milliarden Jahren durch Gentransfer schon alle m�glichen Gene "ausprobiert" werden. Gentechnische DNA stellt hier nichts grunds�tzlich Neues dar. Hinzu kommt, wie eingangs festgestellt, da� alle Tiere einschlie�lich des Menschen t�glich Gene z.B. mit der Nahrung ohne Schaden aufnehmen. Selbst wenn einmal fremdes Erbmaterial in Gewebezellen eindringen w�rde, dann w�re, weil der Weg in die Keimbahnzellen versperrt ist, eine Vererbung nicht m�glich. Im Sinne der Arbeitssicherheit liegt jedoch eine andere Situation vor, wenn Forscher z.B. mit konzentrierten Pr�paraten menschlicher Krebsgene arbeiten. Falls solche in K�rperzellen eindringen, w�re es nicht auszuschlie�en, da� ein Einbau der DNA in ein Zellchromosom stattfindet und sich daraus eventuell ein Tumor entwickeln k�nnte. Obwohl ein solcher Gentransfer in Tierversuchen nicht nachgewiesen werden konnte, wurde k�rzlich von der Zentralen Kommission f�r die Biologische Sicherheit (Berlin) hierzu vorsorglich einer Stellungnahme abgegeben. Nach ihr ist durch geeignete Ma�nahmen bei der Laborarbeit die Aufnahme von solcher DNA in den K�rper (z.B. durch Hautkontakt, als Folge von Verletzungen oder durch Einatmen) zu verhindern.

Schlu�folgerung

Die horizontale Wanderung von Erbmaterial, zus�tzlich zur klassischen elterlichen Vererbung, ist offenbar ein wichtiger Bestandteil des Lebens. Das erstaunliche Nebeneinander von hoher Artenkonstanz einerseits und Plastizit�t der Genome andererseits ist ein Ph�nomen voller offener Fragen. Tats�chlich ist in allen Genomen noch Platz f�r neue Gene. Nur 5 % der menschlichen Erbsubstanz sind mit Genen besetzt, bei Pflanzen oft weniger als 0,5 % und bei Bakterien ca. 95 %. Der Genflu� zwischen den Lebewesen ist wegen der M�glichkeit der Aneignung neuer Gene vermutlich ein wichtiger Faktor f�r die Anpassung an ver�nderte Umweltbedingungen und damit f�r die Evolution. Die zugrundeliegenden Mechanismen und die Auswirkungen der einzelnen Prozesse sind ein faszinierendes Forschungsfeld, das die Molekularbiologie er�ffnet hat.

Die Autoren

Dr. Johann de Vries, 34 Jahre, studierte Biologie in Bielefeld und Oldenburg. Er promovierte 1994 bei Prof. Wackernagel mit einer Arbeit �ber Proteine der DNA-Reparatur und -Re-kombination bei Bakterien. Von 1992 bis 1994 war er Projektleiter (Entfernung von Schwermetallen aus Kompost) im Technologiepool an der Fachhochschule Emden. Seit 1995 befa�t er sich im Rahmen der Sicherheitsforschung zur Freisetzung gentechnisch ver�nderter Pflanzen u.a. mit der Entwicklung von Monitoringverfahren f�r rekombinante DNA in der Umwelt.

Prof. Dr. Wilfried Wackernagel (56) lehrt seit 1982 Genetik im Fachbereich Biologie. Nach der Promotion zwei Jahre Forschung an der Yale-Universit�t, USA. Habilitation 1976 an der Universit�t Bochum. Seine Forschungsgebiete sind die molekularen Mechanismen der genetischen Rekombination, der DNA-Reparatur und des DNA-Transfers bei Bakterien einschlie�lich praktischer Anwendungen. Er ist seit f�nf Jahren Mitglied der Zentralen Kommission f�r die Biologische Sicherheit der Bundesrepublik Deutschland.

Email: presse@admin.uni-oldenburg.de · Redaktion: Ralf Thiele