Bisher dachte man, dass Genschalter, sogenannte Enhancer, isoliert voneinander Gene steuern. Eine neue Studie der Universität Bonn und der Ludwig-Maximilians-Universität München stellt das in Frage.

Genschalter sind wichtig, weil diese „Enhancer“ die Aktivität der Gene kontrollieren. Bisher dachte man, dass jeder dieser Schalter einen eigenen Platz auf der DNA belegt. Verschiedene Enhancer sind also isoliert voneinander, so die Annahme, selbst wenn sie dasselbe Gen steuern, und schalten Gene in verschiedenen Körperteilen an. Eine aktuelle Studie der Universität Bonn und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) stellt diese Vorstellung nun ein Stück weit in Frage. Die Ergebnisse sind auch deshalb wichtig, weil die Genschalter vermutlich eine zentrale Rolle bei der Evolution spielen. Veröffentlicht wurde die Studie in der Fachzeitschrift Science Advances.

Enhancer wirken wie Dimmer

Der Bauplan von Pflanzen und Tieren ist in ihrer DNA festgeschrieben. Doch nur ein kleiner Teil des Genoms – bei Säugetieren etwa zwei Prozent – enthält Gene, also Bauanleitungen für Proteine. Der Rest ist zu einem großen Teil dafür da, diese Gene zu kontrollieren: Er reguliert, wie viele Abschriften von ihnen hergestellt werden, und damit auch die Menge der anhand dieser Abschriften produzierten Proteine.

Zu den wichtigsten dieser regulatorischen Sequenzen zählen die sogenannten Enhancer. Sie wirken ähnlich wie ein Dimmer, mit dem wir unser Wohnzimmer je nach Bedarf in schummeriges oder gleißendes Licht tauchen können: Sie verstärken gezielt die Aktivität eines bestimmten Gens, sorgen also dafür, dass es häufiger abgelesen wird, wenn das gerade nötig ist. Oft gibt es für ein- und dasselbe Gen zahlreiche verschiedene Enhancer. Sie steuern beispielsweise die Aktivität dieser Erbanlage in verschiedenen Geweben oder zu unterschiedlichen Entwicklungs-Zeitpunkten.

Enhancer steuern Färbung von Drosophila

Bislang glaubte man, die Genschalter seien modular aufgebaut, als einen isolierten Abschnitt auf der DNA belegt. „Wir konnten jedoch zeigen, dass das in dieser Absolutheit nicht stimmt“, erklärt Mariam Museridze. Sie promoviert am Bonner Institut für organismische Biologie in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Nicolas Gompel und ist Erstautorin der Studie.

Für ihre Studie haben die Forscher untersucht, wie in der Fruchtfliege Drosophila ein Gen namens „yellow“ reguliert wird. Die Erbanlage sorgt dafür, dass das Insekt das bräunliche Pigment Melanin bildet. Es gibt eine ganze Reihe von Enhancern, die die Aktivität von yellow kontrollieren. Einer von ihnen ist beispielsweise für die Pigmentierung der Zähne der Maden, ein anderer dagegen für die Bildung eines Streifenmusters auf dem Unterleib der Fliegen verantwortlich.

„Wir haben uns nun zwei dieser Enhancer genauer angesehen“, erklärt Museridze. „Der erste kontrolliert die Musterung der Flügel, der zweite ausschließlich während der Metamorphose der Fliege die Färbung von Kopf, Brust und Unterleib.“ Dabei stellte die Arbeitsgruppe fest, dass der Körper-Enhancer nicht wie erwartet in einer anderen Region auf der DNA liegt als der Flügel-Enhancer. Stattdessen gibt es DNA-Bereiche, die zu beiden Genschaltern gehören, also sowohl die Pigmentierung des Flügels also auch die des Körpers beeinflussen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Architektur der regulatorischen Sequenzen im Genom deutlich komplexer ist, als bislang angenommen wurde. Das hat auch weitreichende Implikationen für die Art und Weise, wie sich Merkmale im Laufe der Evolution verändern. Denn bei diesem Prozess spielen Enhancer nach heutigem Verständnis eine Schlüsselrolle.

Spielwiese der Evolution

Grund dafür ist, dass viele Proteine so wichtig für den Organismus sind, dass eine Mutation in ihrem Gen schwerwiegende Probleme verursachen oder gar den sicheren Tod bedeuten würde. Dadurch ändern sich beispielsweise die Gene, die die Körperform, die Zahl der Flügel oder der Beine steuern, im Laufe der Evolution nur selten. Enhancer bieten einen Ausweg aus diesem Dilemma: Wenn sie mutieren, ändert sich die Aktivität des entsprechenden Gens, aber nur in einem bestimmten Gewebe und zu einem bestimmten Zeitpunkt.

„Die Mutation eines Enhancers verursacht also weniger Kosten, als wenn sie direkt das Gen betreffen würde“, betont Mariam Museridze. „So können im Laufe der Evolution einfacher neue Merkmale entstehen.“ Es sei ähnlich wie beim Kuchenbacken: Wenn man Eier, Mehl, Milch und Zucker verrühre, könne man je nach Mischungsverhältnis ganz unterschiedliche Teigsorten herstellen. Die Enhancer sind in diesem Beispiel für die Menge der Zutaten zuständig, nicht für ihre Art.

Eine Genmutation entspricht hingegen der Situation, in der man eine Zutat zufällig gegen etwas ganz Anderes ersetzt – in der Kuchen-Analogie etwa Mehl gegen Sägemehl tauscht. Eine Mutation in einem Enhancer würde dagegen „nur“ die Menge des Mehls verändern. „Wenn Enhancer nicht so modular sind wie gedacht, bedeutet das aber, dass Mutationen in ihnen viel breitere Auswirkungen haben können“, sagt Museridze. Das heißt, eine solche Mutation könnte sich auf die Menge mehrerer Zutaten zugleich auswirken. Möglicherweise behalten die Enhancer aber auch ihre Unabhängigkeit und kontrollieren weiterhin nur die Menge einer einzelnen Zutat, obwohl ihre Sequenzen ineinander verwoben sind und gemeinsam genutzt werden. „Wir wollen diese Möglichkeiten nun genauer untersuchen“, erklärt Prof. Gompel. „Außerdem wollen wir herausfinden, wie weit verbreitet unser Befund ist und inwieweit das unser Verständnis evolutiver Mechanismen berührt.“