Proteine : Evolutionsbremse DNA

Das Beste setzt sich durch – so will es die Evolution. Doch bei Proteinen, die beispielsweise für den Aufbau von Zellwänden benötigt werden, sorgt die DNA dafür, dass die Evolution ausgebremst wird.

Helen Pearson

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass eine sekundäre Funktion in bestimmten DNA-Abschnitten die Proteinentwicklung kontrolliert und die Veränderung des betreffenden Gens hin zur "Produktionsfabrik für das ideale Protein" verlangsamt. Das Ergebnis: "menschliche Proteine sind bei weitem nicht so gut, wie sie sein könnten," sagt Laurence Hurst von der University of Bath in Großbritannien, dessen Studie gerade in PLoS Biology veröffentlicht wurde. (1)

Gene sind in erster Linie für den Aufbau der DNA zuständig. Diese vermittelt einer Zelle, welche Aminosäuren zu einem Protein zusammengefasst werden müssen. Bisher nahm man an, dass die Evolution durch die Jahrtausende auf die Gene eingewirkt habe, um genau jene Aminosäure-Sequenzen hervorzubringen, die für die spezielle Aufgabe des entsprechenden Proteins am besten geeignet sind. Das kann zum Beispiel der Aufbau einer Zellwand oder die Beschleunigung einer chemischen Reaktion sein.

Aber die DNA enthält noch weitere Informationen, die wie eine Art Zusatzzahl ebenfalls in die proteinkodierenden Gene eingeschrieben sein können. Die neue Studie zeigt, dass diese sekundären Codes teilweise die Aminosäuren eines Proteins festlegen.

Hurst konzentrierte seine Untersuchungen auf kurze DNA-Sequenzen, bei denen ein solcher sekundärer Code als Spleißverstärker fungiert. Nachdem die DNA in ein RNA-Molekül kopiert wurde, teilen diese Verstärker einer Zelle mit, wie sie nicht benötigte Abschnitte herausschneiden und die übrigbleibenden Teile zusammenspleißen kann. Diese Zelle wird dann als Vorlage für die Proteinproduktion verwendet.

Das Forscherteam versuchte herauszufinden, wie schnell sich verschiedene DNA-Segmente im Genom entwickelt haben, indem es sich auf die Unterschiede konzentrierte, die in den jeweiligen Genen von Menschen und Mäusen zu verzeichnen sind. In den DNA-Abschnitten mit der beschriebenen Doppelfunktion – sowohl Spleißverstärkung als auch Proteinkodierung – sind wesentlich weniger Veränderungen aufgetreten, so ihr Ergebnis. Sequenzen in der Nähe von Verstärkern haben sich nur halb so schnell entwickelt wie andere DNA-Abschnitte oder sogar noch langsamer. Und Gene, die viele solcher Verstärker beinhalten, scheinen sich insgesamt langsamer verändert zu haben.

Wie stark die Spleißverstärker die Proteinentwicklung verzögern, ist "wirklich überraschend", sagt der Evolutionsbiologe Laurent Duret von der Universität Lyon in Frankreich.

Neue Möglichkeiten

Die Forschung kannte bereits andere Faktoren, die dafür sorgen, dass bestimmte Proteine oder Teile davon sich schneller entwickeln als andere, obwohl sie die eigentliche Funktion des Proteins nicht verändern. Beispielsweise scheinen sich Proteine, die in großer Zahl produziert werden, nur langsam zu verändern. Das könnte daran liegen, dass ihre Codes weniger fehleranfällig sind.

Die neuen Erkenntnisse legen die faszinierende Idee nahe, dass der Mensch seine DNA optimieren könnte, um Super-Proteine herzustellen, die noch wirkungsvoller sind als die natürlichen Eiweiße.

Im Labor ist es möglich, den Auslöser des Spleißens zu entfernen. Die Wissenschaftler stellten eine DNA-Sequenz ohne Spleißfunktion her, und veränderten sie genetisch so, dass sie ein schnelleres und stärkeres Protein produziert. Mit dieser Technologie, so hofft man, können Biotechnologen effektivere Enzyme herstellen.

Genetiker wissen, dass es noch weitere Informationsschichten gibt, die auf dem Proteincode aufsetzen: eine dieser Schichten enthält Informationen darüber, wie die DNA in die typischen Wendeln aufgewickelt werden soll. Es sei sehr interessant, herauszufinden, ob dieser sekundäre Code ebenfalls die Entwicklung des Proteins aufhält, so Hurst.

(1) Parmley J. L., Urrutia A.O., Potrzebowski L., Kaessmann H. & Hurst L. D. PLos Biol, 5. e14 (2007).

Dieser Artikel wurde erstmals am 5.2.2007 bei news@nature.com veröffentlicht. Übersetzung: Rainer Remmel. © 2007, Macmillan Publishers Ltd

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