Wie Fliegen zur richtigen Dosis kamen

Neue Erkenntnisse zum evolutionären Ursprung der Dosiskompensation

7. September 2018

In Säugern und vielen anderen Lebewesen wird das Geschlecht durch zwei spezielle Chromosomen bestimmt: das X und das Y. Während Weibchen zwei X-Chromosomen haben, besitzen Männchen nur eines und das sehr viel kleinere Y-Chromosom. Bei Fruchtfliegen weiß man seit längerem, dass der sogenannte MSL-Proteinkomplex einen wichtigen molekularen Ausgleichsmechanismus darstellt, der dafür sorgt, dass die Konzentration von X-chromosomalen Genprodukten in beiden Geschlechtern gleich hoch ist. Forscher am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik haben nun den evolutionären Ursprung dieses epigenetischen Phänomens näher ergründen können, das als Dosiskompensation bezeichnet wird. Sie konnten zum ersten Mal aufzeigen, dass der MSL-Komplex nicht nur Gene auf dem X-Chromosom reguliert, sondern auch Gene auf anderen Chromosomen. Diese neu identifizierten Zielgene des Komplexes waren häufig zentrale Regulatoren der Entwicklung vielzelliger Organismen. Das Team um Asifa Akhtar geht davon aus, dass der eigentliche evolutionäre Ursprung des MSL-Komplexes genau in dieser Regulation der Entwicklungsgene liegt und erst später für die Dosiskompensation „umgenutzt“ wurde.  

Menschen haben zwei Chromosomensätze, die jeweils von Vater und Mutter vererbt werden. In sämtlichen Lebewesen muss sichergestellt werden, dass die Gene auf den Chromosomen gleichermaßen abgelesen werden, um die gleiche Menge an Genprodukten zu erzeugen. Geschieht dies nicht, können schwere zelluläre Defekte auftreten, zum Beispiel bei Phänomenen wie der Haploinsuffizienz, Aneuploidie oder anderen Formen von Chromosomenaberrationen. Diese führen häufig bereits während der Embryonalentwicklung zu schweren Defekten, können aber auch Krankheiten beim erwachsenen Menschen verursachen. 

Die Geschlechtschromosomen stellen eine interessante Ausnahme dar. Während in weiblichen Zellen stets zwei X-Chromosomen enthalten sind, besitzen Männchen nur eines sowie das für viel weniger Gene codierende Y-Chromosom. Um die unterschiedliche Kopienanzahl beim X-Chromosom auszubalancieren, gibt es in vielen Organismen den Mechanismus der Dosiskompensation. So wird während der frühen Embryonalentwicklung von weiblichen Säugern eines der zwei X-Chromosomen abgeschaltet. Bei Fliegen geschieht genau das Gegenteil: Hier wird das X-Chromosom des Männchens überaktiviert und doppelt so oft abgelesen wie das des Weibchens.

Auf der Suche nach dem Ursprung des MSL-Komplexes

In den letzten Jahren konnte das Labor von Asifa Akhtar am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg zahlreiche Erkenntnisse über diesen epigenetischen Ausgleichsmechanismus gewinnen. Hierfür analysierte das Team, wie genau eine Gruppe von Proteinen und nicht-codierenden RNAs mit dem Namen MSL-Komplex, die Dosis des einzelnen X-Chromosoms so ausbalancieren kann, dass sie der von zwei X-Chromosomen des Weibchens entspricht.

Interessanterweise gibt es auch in Säugern einen MSL-Komplex. Aber statt des ganzen X-Chromosoms reguliert dieser hier nur einzelne Gene, die zudem auf allen 23 Chromosomenpaaren verstreut liegen. „Wir haben uns immer gefragt, wie die Dosiskompensation als ein Prozess zur Steuerung der Genexpression eines ganzen Chromosoms in der Evolution dieser Insekten überhaupt entstehen konnte,“ erläutert Asifa Akhtar die Motivation für die Studie.

Der MSL-Komplex reguliert essentielle Entwicklungsgene in Fliegen

Ein entscheidender Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage war, dass das Team begann den MSL-Komplex im Larvenstadium der Fliegen zu studieren anstatt, wie üblich, in klassischen Zellkultursystemen. Hier fanden sie überraschenderweise heraus, dass der MSL-Komplex nicht nur an das X-Chromosom bindet, sondern auch noch an weitere Stellen im Genom, die auf anderen Chromosomen liegen, um auch dort Gene zu regulieren. Die von den Freiburger Forschern neu identifizierten und mit MSL-assoziierten Gene waren fast ausschließlich Regulatoren, welche Entwicklungsprozesse kontrollieren und in Zellen ganze Gennetzwerke während der Organbildung bei der Fliege steuern. „Wir konnten unter anderem fehlgeformte Flügel oder verkleinerte Augen bei den Fliegen beobachten, was uns zeigt, dass entscheidende Gene wie beispielsweise das Wingless-Gen, also ein Master-Steuergen der Entwicklung, tatsächlich auch vom MSL-Komplex beeinflusst werden, erläutert Claudia Keller Valsecchi, die Erstautorin der Studie.

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Abb.1 Farbenspiel in der Flügel- Imaginalscheibe einer männlichen Fruchtfliegenlarve. Die Immunfluoreszenz zeigt das Vorhandensein und die Aktivität des MSL-Komplexes an. Gut sichtbar sind die Zellkerne des zukünftigen Flügels (dunkelblau) sowie die Bereiche, in denen die Wissenschaftler Bestandteile des Komplexes entfernt haben (hellbau) oder diese noch vorhanden sind (orange). Die weißen Punkte stellen Acetylierungsmarkierungen (H4K16ac) dar und zeigen den Forschern die umfassende Aktivität des Komplexes.

Durch die Arbeit in einem multidisziplinären Team, welches mit unterschiedlichsten experimentellen Methoden und Tiermodellen arbeitet, konnte das Wissen über den MSL-Komplex und seine Funktionen in der Studie auch über das Fliegengenom hinaus erweitert werden. Den Forschern gelang es mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 das Msl2-Gen, ein Bestandteil des MSL-Komplexes, in Mausstammzellen gezielt ausschalten. „Da diese äußerst wichtigen Entwicklungsgene in der Evolution erhalten geblieben sind – man spricht von konserviert – wetteten wir darauf, dass Gene wie Wingless auch in Säugetieren vom MSL-Komplex reguliert werden müssten, sagt Felicia Basilicata. Und die Forscher lagen mit ihrer Vermutung goldrichtig: Die typische durch den MSL-Komplex vermittelte Ausbalancierung fand sich bei den gleichen Entwicklungsgenen auch in der Maus. 

Umnutzung des MSL-Komplexes in der Evolution

 „Die Regulation genau dieser Gene, welche die Entwicklung in beiden Organismen, Fliegen wie Säugetieren, steuern, war für uns extrem spannend. Es zeigte eine ganz neue Facette dieses epigenetischen Mechanismus und zugleich die Brücke zur Evolution – genau das, was wir ja ursprünglich ergründen wollten. So vermuten wird, dass der evolutionäre Ursprung des MSL-Komplexes in der Regulation dieser einzelnen Entwicklungsgene liegt. Während der Evolution des X-Chromosoms hat sich diese ursprüngliche MSL-Funktion bei den Insekten dann als »praktisch« erwiesen und wurde sozusagen »umgenutzt«, um auch das ganze X-Chromosom auszubalancieren,“ fasst Plamen Georgiev, Mitautor und Leiter des Fliegenlabors am MPI, die Ergebnisse zusammen.

In zukünftigen Studien wollen die Forscher nun herausfinden, wie diese Umnutzung auf molekularer Ebene möglich war. Sie vermuten, dass Teile des Komplexes während der Evolution der Fruchtfliegen leicht verändert oder angepasst wurden, so dass dann die Regulierung des gesamten X-Chromosoms in Fliegen ermöglicht wurde.

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