Forschungsbericht 2021 - Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie

Eingebettet in das Bakteriengenom befinden sich uralte Replikatoren

Ancient Darwinian replicators nested within bacterial genomes

Autoren
Bertels, Frederic; Rainey, Paul
Abteilungen
Abteilung Mikrobielle Populationsbiologie
Zusammenfassung
Selbstreplizierende Gene sind in Genomen nicht ungewöhnlich. Das menschliche Genom besteht zu mehr als 50% aus diesen Genen. Während es sich beim Menschen jedoch um molekulare Parasiten handelt, haben wir in Bakterien selbstreplizierende Gensequenzen identifiziert, die eine Symbiose mit dem Wirtsbakterium bilden, also einen Nutzen bringen. Faszinierend ist nicht nur, dass eine Generation in diesen Populationen mehrere 1000 Jahre dauert, sondern, dass wir Konflikte zwischen der Bakterium- und Sequenzpopulation beobachten, die Konflikten zwischen einem Organismus und einzelnen Zellen ähneln.
Summary
Self-replicating sequences are not unusual in genomes, they make up more than 50% of the human genome. Usually, such sequences are molecular parasites that do not benefit the host. However, we have identified populations of self-replicating sequences that provide a benefit to their bacterial hosts. The evolution of these sequences is fascinating, not only because one generation in these populations lasts thousands of years, but also because evolutionary conflicts, reminiscent of those between organisms and cells, can be observed between the sequence populations and their bacterial hosts.

Mobile genetische Elemente

Mobile genetische Elemente sind Gene, die die Fähigkeit haben, sich unabhängig vom Wirtsgenom zu replizieren. Solche Gene sind in der Regel genetische Parasiten und nutzen die Ressourcen der Wirtsorganismen zur Replikation. Bei Eukaryonten, wie Pflanzen und Tieren, sind mobile genetische Elemente äußerst erfolgreich. Mehr als 50 % der meisten eukaryontischen Genome bestehen aus mobilen genetischen Elementen. In Bakteriengenomen machen mobile genetische Elemente weniger als 1 % aus, was ein Grund dafür ist, dass bakterielle Genome im Vergleich zu tierischen oder pflanzlichen Genomen klein sind.

Mobile genetische Elemente sind in eukaryontischen Genomen unter anderem deshalb so erfolgreich, weil der größte Teil des Genoms für mobile genetische Elemente und „tote“ Gene kodiert. Nur etwa 1,5 % des menschlichen Genoms besteht aus proteinkodierenden Genen, die für das Überleben wichtig sind. Im Gegensatz dazu kodieren mehr als 90 % der bakteriellen Genome für überlebenswichtige Proteine. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein mobiles genetisches Element ein überlebenswichtiges Gen zerstört, wenn es an eine andere Stelle im Genom wandert, bei Eukaryonten etwa 1,5 %, bei prokaryotischen Genomen jedoch etwa 90 % beträgt. Daher hat die Vermehrung eines mobilen Gens bei Eukaryonten fast keine Auswirkungen, tötet aber fast immer einen bakteriellen, prokaryotischen Wirt [1]. Dieser Effekt führt einerseits zu kleinen, stromlinienförmigen bakteriellen Genomen und andererseits zu eukaryontischen Genomen, die kontinuierlich an Größe zunehmen [2].

Außergewöhnlich mobile genetische Elemente in Bakterien

Selbstreplizierende Sequenzpopulationen, die sich über Jahrmillionen im Genom fortpflanzen, sind daher in Tieren und Pflanzen nichts Ungewöhnliches, in bakteriellen Genomen jedoch dachte man, dass dies nicht vorkommt. Die von uns in den letzten 13 Jahren durchgeführten Forschungsarbeiten haben jedoch gezeigt, dass es zumindest eine Ausnahme zu dieser Regel gibt, nämlich eine neue Klasse mobiler genetischer Elemente, die wir REPINs genannt haben [3]. REPINs stellen eigene, selbstreplizierende Sequenzpopulationen in bakteriellen Genomen dar und unterscheiden sich daher in vielerlei Hinsicht von anderen, bisher bekannten mobilen genetischen Elementen:

1. REPINs „infizieren“ keine anderen bakteriellen Genome,
2. REPINs replizieren extrem selten,
3. REPINs benötigen zur Vermehrung ein Wirtsprotein (RAYT)

Der signifikanteste Unterschied zu anderen mobilen Genen ist, dass REPINs keine anderen Bakterien „infizieren“ können. Daraus folgt, dass REPINs innerhalb des Genoms erhalten werden, indem sie dem Wirtsbakterium einen Nutzen bringen. Würden REPINs nämlich keinen Nutzen bringen, dann würden sie schnell aus dem Genom verschwinden (Abb. 1; [1]).

Evolutionäre Dynamik von REPINs in Bakterien

REPINs replizieren sich etwa einmal alle 50 Millionen Wirtsgenerationen [4]. Dies ist eine außergewöhnlich niedrige Rate und bedeutet, dass es in einem bestimmten Bakterienstamm mit einer aktiven REPIN-Population etwa 15 Millionen Jahre dauert, bis 200 Duplikationsereignisse auftreten. Zum Vergleich: der letzte gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse lebte vor 10 bis 13 Millionen Jahren. Daher ist es bisher nicht gelungen, REPIN-Duplikationen im Labor zu beobachten. Es ist jedoch möglich, die Entwicklung von REPIN-Populationen zu untersuchen, indem REPINs in verschiedenen Bakterienstämmen derselben Art verglichen werden, wie wir es bei Pseudomonas chlororaphis getan haben.

Unsere Analysen haben gezeigt, dass die REPIN-Populationsdynamik die typischen Merkmale ineinander verschachtelter replizierender Einheiten aufweist, ähnlich einer Matroschka-Puppe. So ist beispielsweise der menschliche Körper eine sich replizierende Einheit und besteht dennoch aus Milliarden von Zellen, die sich selbst replizieren können. Der menschliche Körper ist also ein verschachtelter Replikator, bei dem Konflikte zwischen den verschiedenen Ebenen, beispielsweise die unkontrollierte Replikation einzelner Zellen, zum Tod des Wirtsorganismus durch Krebs führen können. In ähnlicher Weise ist es denkbar, dass die REPIN-Replikation auch zu Konflikten zwischen REPIN und dem bakteriellen Wirt führen kann. Diese Konflikte scheinen in der Regel aber dadurch gelöst zu werden, dass der Wirt das RAYT Gen verliert, was zu einem Rückgang der REPIN-Population führt (Abb. 2). Die Tatsache wiederum, dass RAYTs im Laufe der Zeit erhalten bleiben, deutet darauf hin, dass Bakterien ohne RAYTs oder REPINs im Vergleich zu Bakterien, die das REPIN-RAYT-System beibehalten haben, im Verlauf des Evolutionsgeschehens einen Nachteil erfahren.

Die genaue Art und Weise des Nutzens, den REPINs und RAYTs ihrem Wirt bieten, ist derzeit völlig unklar. Wir testen daher verschiedene Hypothesen, die von der Erleichterung der Rekombination bis hin zur Regulierung der Genexpression reichen. Da es bisher keine vergleichbaren Langzeit-Sequenzpopulationen zu REPINs gibt, werden die Ergebnisse sicherlich sehr spannend sein.

Literaturhinweise

Park, H. J.; Gokhale, C. S.; Bertels, F.
How sequence populations persist inside bacterial genomes
Genetics 217, 2021; iyab027
van Dijk, B.; Bertels, F.; Stolk, L.; Takeuchi, N.; Rainey, P. B.
Transposable elements promote the evolution of genome streamlining
Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 377, 2021; 20200477 (ePub ahead of print)
Bertels, F.; Rainey, P. B.
Within-genome evolution of REPINs: a new family of miniature mobile DNA in bacteria
PLoS Genet. 7, 2011; e1002132
Bertels, F.; Gokhale, C. S.; Traulsen, A.
Discovering complete quasispecies in bacterial genomes
Genetics 206, 2149–2157 (2017)

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