Mutationen sind zwar der Dreh- und Angelpunkt der Evolution, aber normalerweise stellen wir uns vor, dass sie die vorhandenen Gene verändern. Das lässt eine wichtige Frage offen: Woher kommen die Gene eigentlich? In vielen Fällen entstehen neue Gene durch Verdopplung. Wenn ein DNA-Abschnitt bei der Replikation versehentlich dupliziert wird, können die kopierten Gene Mutationen bilden und neue Funktionen erhalten. In einer kürzlich in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeit berichten Forscher der UC Davis und der University of North Carolina in Chapel Hill über die Entdeckung eines anderen Weges zur Genbildung, nämlich durch Veränderungen in nicht codierenden Abschnitten der DNA.
Das Team extrahierte und sequenzierte RNA aus den Hoden von sechs Wildstämmen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Beim Vergleich der in ihren Daten identifizierten RNA-Transkripte mit der Standard-Referenzsequenz von D. melanogaster fanden sie 142 Kandidaten für de novo-Gene – Gene, die in mindestens einem der Wildstämme, nicht aber im Referenzstamm exprimiert wurden. Diese Gene wurden auch in zwei anderen Drosophila-Arten, D. simulans und D. yakuba, nicht exprimiert; höchstwahrscheinlich handelt es sich um neue Gene, die erst kürzlich in einigen D. melanogaster-Populationen aufgetaucht sind. „Dies ist das erste Beispiel für völlig neue Gene, die sich noch immer in einer Spezies ausbreiten“, sagte Li Zhao, Postdoktorand an der UC Davis und Erstautor der Studie.
Die meisten Kandidatengene enthielten einen offenen Leserahmen, eine Region, die von START- und STOP-Codons begrenzt wird und theoretisch für ein Protein kodieren könnte. Die Referenzsequenz von D. melanogaster enthält dieselben offenen Leserahmen, aber sie werden nicht in RNA umgeschrieben. Das Team stellte die Hypothese auf, dass Änderungen in der Regulierung diese nicht kodierenden Regionen in neue Gene umwandelten, und in einigen Fällen konnten sie Mutationskandidaten in der regulatorischen Region stromaufwärts des neuen Gens identifizieren.
Unterschiedliche Selektionskräfte bestimmen das Schicksal von kodierenden und nicht kodierenden DNA-Abschnitten; sobald die neuen Gene entstanden sind, wären sie der Selektion ausgesetzt gewesen. „Wenn es eine positive Wirkung hat, wird es selektiert“, sagte Zhao. Um dies zu testen, maß das Team die Menge der Variation in den neuen Genen in den sechs Stämmen. Sie stellten eine geringere Nukleotiddivergenz und eine geringere Heterozygotie fest, beides Anzeichen für selektive Prozesse bei der Arbeit. Überraschenderweise fanden sie nur Anzeichen für eine schwächere Selektion oder weiche Selektionsbewegungen, obwohl man oft davon ausgeht, dass neue Mutationen einer starken Selektion unterworfen sind.
„Zum jetzigen Zeitpunkt ist es schwer zu sagen, wie wichtig dieses Phänomen für die Entstehung neuen genetischen Materials ist“, so Zhao. Auch wenn es unklar ist, wie bedeutend dieser Prozess ist und welchen Beitrag er leistet, ist es dennoch eine sehr spannende Entdeckung. Wie die meisten anderen Forscher habe auch ich bisher an die Entstehung von Genen durch Duplikation und Divergenz gedacht, aber diese Entdeckung eröffnet neue, faszinierende Möglichkeiten. Zukünftige Studien werden aufdecken müssen, wie häufig diese Art der de novo Gen-Evolution ist und welche Auswirkungen sie hat, und ich freue mich darauf, die Früchte dieser Forschung zu verfolgen!