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17. Juni 2015

Variation als Überlebensstrategie

Nicht alles auf eine Karte setzen. Das kann auch für Zellpopulationen eine erfolgreiche Strategie sein, um Umweltveränderungen zu überleben. Die Forschungsgruppe von Prof. Erik van Nimwegen vom Biozentrum der Universität Basel zeigte nun, dass Schwankungen in der Genexpression von Vorteil sind und sie die Fitness eines Individuums verbessern. In ihrer aktuellen Publikation in «eLife» liefern die Forscher neue Einblicke in das Zusammenspiel zwischen solchen Schwankungen und Evolution der Genregulation.

Zwei Populationen von E. coli Zellen, die das grün fluoreszierende Protein GFP zweier verschiedener Promotoren exprimieren: Promotor mit hohen Schwankungen in den Zellen links und mit geringen Schwankungen rechts.

Ob in der Tiefsee, im Boden oder im Darm, Umweltbedingungen können sich oft rapide und drastisch verändern. Eine mögliche Strategie, solche Herausforderungen zu meistern, ist, die Eigenschaften und das Verhalten einzelner Zellen zu variieren. Dies geschieht selbst bei genetisch absolut identischen Zellen. Durch diese Strategie erhöhen sie die Chancen, dass zumindest einige Individuen die Umweltveränderungen überleben.

Unerwartet: Expression von Bakteriengenen schwankt

Abweichungen bei phänotypischen Eigenschaften zwischen genetisch identischen Zelle können dann auftreten, wenn die Expression der Gene Schwankungen unterliegt. Bislang gingen die meisten Forscher davon aus, dass der Bereich solcher Schwankungen durch natürliche Selektion minimiert wird. Diese Schwankungen werden durch regulatorische DNA-Sequenzen, sogenannte Promotoren, verursacht.Hier kommt nun die Forschung von Prof. Erik van Nimwegen vom Biozentrum der Universität Basel ins Spiel: Er und sein Team haben untersucht, wie natürliche Selektion den Level der Schwankungen beeinflusst. «Sehr überraschend und absolut entgegen unserer Erwartungen sahen wir, dass im Bakterium Escherichia coli künstlich hergestellte Promotoren eindeutig geringere Schwankungen aufwiesen als viele der natürlichen», sagt van Nimwegen. «Wir haben auch herausgefunden, dass die Promotoren von natürlichen Genen, die bei verschiedenen Umweltbedingungen unterschiedlich stark exprimiert werden, in der Regel stärker variieren. Daraus schliessen wir, dass bei diesen Genen die natürliche Selektion Promotoren mit einem breiten Schwankungsbereich entstehen liess.»

Schwankungen in der Genexpression können von Vorteil sein

Um diese Beobachtungen besser zu verstehen, entwickelten die Wissenschaftler ein theoretisches Modell. Sie zeigten, dass es vorteilhaft sein kann, wenn regulatorische Faktoren die eigenen Schwankungen auf ihre Zielgene übertragen. In Kürze: je grösser die Schwankungen des Faktors, desto diverser die Expression ihrer jeweiligen Zielgene. Diese Ausweitung des Schwankungsbereiches kann die Überlebenschancen der Nachkommen bei Umweltveränderungen erhöhen. «Unsere Modellierungen zeigen, dass die Übertragung von Schwankungen bei einer Reihe von Bedingungen eher günstig sind», betont van Nimwegen. «Es wäre daher angebracht, wenn man sie als eine rudimentäre Form von Regulation betrachtet.»

Einblicke in die Evolution der Genregulation

Die Studie liefert neue Erklärungen, über welche Wege die Genexpression geregelt werden kann und gibt darüber hinaus Einblicke, wie die Regulation von Genen aus dem Nichts entstehen kann. Das heisst konkret, dass der Zustand grosser Schwankungen den Übergang zwischen „keine Regulation“ und „akkurate Regulation“ darstellt. «Es gibt daher wohl eine enge Verbindung zwischen der Entwicklung der Genregulation und den Schwankungen in der Genexpression», folgert van Nimwegen. «Im Prinzip zeigt unser Modell, dass, obwohl die Genexpression sehr genau kontrolliert ist, die Zunahme von Abweichungen auch von Vorteil sind.» Die Aufrechterhaltung der Vielfalt zahlt sich demnach oft aus: nicht nur in Bezug auf die genetische, sondern auch hinsichtlich der Vielfalt der Genexpression.

Originalartikel:
Luise Wolf, Olin K. Silander, Erik van Nimwegen. Expression noise facilitates the evolution of gene regulation. eLife; published online 17 June 2015

Kontakt: Kommunikation, Katrin Bühler