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Molekularer Schutzengel von Muskeln entdeckt
ImageEinen zellulären Bewacher, der für den Erhalt und die Funktion von Muskeln sorgt, hat das Forschungsteam um Halyna Shcherbata am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie entdeckt. Wie die Wissenschaftler am Modell der Taufliege zeigen konnten, sind sogenannte mikroRNAs ein wichtiger Regulator des Muskelproteins Dystroglykan. Dieses spielt auch bei der Entstehung von Muskelerkrankungen, sogenannten Muskeldystrophien, eine Schlüsselrolle. Die Erkenntnisse der Forscher könnten dazu beitragen, neue Ansätze zur Behandlung derartiger Krankheiten zu entwickeln.

Wenn Muskeln immer mehr an Masse und Kraft verlieren und sich ihr fortschreitender Schwund nicht aufhalten lässt, lautet die Diagnose: Muskeldystrophie. An diesen chronisch verlaufenden Erkrankungen der Skelettmuskulatur leiden allein in Deutschland etwa 30.000 Menschen. Ihre häufigste Ursache ist ein genetischer Defekt des sogenannten Dystrophin-Dystroglykan-Komplexes in der Membran der Skelettmuskelzellen. Er verbindet das Zytoskelett der Zelle mit ihrer Umgebung – der sogenannten extrazellulären Matrix. Auch Fliegen entwickeln Muskeldystrophien, wenn sie denselben genetischen Defekt aufweisen. Frühere Experimente der Forschungsgruppenleiterin Halyna Shcherbata vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie konnten dies eindeutig nachweisen. Bereits seit Längerem setzt die Wissenschaftlerin daher erfolgreich die Taufliege Drosophila melanogaster ein, um die Ursachen von Muskeldystrophien zu erforschen.

„Bei betroffenen Patienten scheinen neben dem Dystrophin-Dystroglykan-Komplex nicht zuletzt auch falsch geformte Verbindungen zwischen Sehnen und Muskeln für den Erhalt und die Funktion der Muskulatur eine wichtige Rolle zu spielen,“ erklärt Shcherbata. Die Muskel-Sehnen-Übergänge seien bisher in ihrer Bedeutung für Muskeldystrophien unterschätzt. Um neue Strategien zur Behandlung dieser Krankheiten zu entwickeln, ist es daher wichtig, die molekularen Mechanismen zu verstehen, die die Ausbildung der Muskel-Sehnen-Verbindungen steuern.

Einen molekularen „Schutzengel“ in diesem Prozess hat das Team um die Göttinger Entwicklungsbiologin jetzt in der Fliege identifiziert. Wie es herausfand, stellt dieser Beschützer – mikroRNA-9a (miR-9a) genannt – sicher, dass sich die Muskel-Sehnen-Übergänge normal ausbilden, indem es die Produktion störender Proteine verhindert. „Dystroglykan ist zwar für Muskelzellen unentbehrlich. Aber wenn es in den Sehnenzellen gebildet wird, hat das fatale Folgen,“ berichtet Shcherbata. „Wird dort das Dystroglykan-Gen fälschlicherweise „angeschaltet“, werden Muskeln und Sehnen nicht richtig verknüpft und in der frühen Entwicklung kann es zum Absterben der Embryonen kommen“. Ursache für solche fehlproduzierten Proteine sind zumeist Fehler beim Ablesen der Gene. Die Entdeckung der Göttinger Wissenschaftler, dass miRNAs ein wichtiger Regulator des Muskelproteins Dystroglykans sind, könnten möglicherweise auch neue Ansätze zur Behandlung von Muskeldystrophien eröffnen.

Wie die Entwicklungsbiologen herausfanden, wacht die miR-9a darüber hinaus noch über weitere Gene, die an der Bildung von Muskelzellen beteiligt sind. Dies fanden die Wissenschaftler mit einem raffinierten Experiment heraus. Dazu aktivierten die Forscher den molekularen „Schutzengel“ dort, wo er in der gesunden Fliege nicht aktiv ist: in embryonalem Gewebe, aus dem sich später auch die Skelettmuskulatur des Insekts entwickelt. Tatsächlich leistete die miR-9a auch am falschen Einsatzort ganze Arbeit – und verhinderte die Entwicklung jeglichen Muskelgewebes. „Wir vermuten daher, dass in der normalen Fliege die miR-9a das Anschalten einer ganzen Reihe störender muskelspezifischer Gene im Muskel-Sehnen-Übergang unterdrückt“, so Andriy Yatsenko, Postdoktorand in der Forschungsgruppe.

Doch wieso besteht überhaupt die Gefahr, dass in der Zelle Gene falsch abgelesen und Proteine produziert werden, die dieser im schlimmsten Fall sogar schaden? Die Antwort liefert ein Blick in die frühe Entwicklung lebender Organismen: Alle Gewebe des Körpers gehen aus den drei Keimblättern hervor: dem Endoderm, dem Ektoderm und später dem Mesoderm. Im Zuge der Bildung von Organen wandern Zellen auch zwischen Keimblättern, müssen aber in dieser fremden Umgebung ihre typischen Eigenschaften und Fähigkeiten als Leber-, Muskel, oder Herzzelle bewahren. Gleichzeitig ist wichtig, dass sie auf die Signale in ihrer neuen Umgebung richtig reagieren. Diese beiden Prozesse müssen kontinuierlich und genau ausbalanciert werden. Shcherbata erläutert: „miRNAs scheinen extrem wichtige Regulatoren zu sein, damit Zellen dieser Balanceakt gelingt. In unserem Fall sind die Sehnenzellen epidermalen Ursprungs, jedoch von mesodermalem Gewebe umgeben. Die miR-9a stellt sicher, dass jede Zelle – ob im Muskel-Sehnen-Übergang oder im umgebenden Gewebe – ihr typisches Repertoire an Proteinen erhält und so ihre Aufgaben erfüllen kann. Die miRNAs verleihen damit biologischen Systemen Stabilität und Robustheit gegenüber Fehlern oder zufälligen
Schwankungen.“


Den ganzen Artikel finden Sie unter:

http://www.mpibpc.mpg.de/13890684/pr_1405

Quelle: Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie  (02/2014)


Originalpublikation:
A. S. Yatsenko, H. R. Shcherbata: Drosophila miR-9a targets the ECM receptor dystroglycan to canalize myotendinous junction formation. Dev Cell 28, 335-348 (2014).
 
Der Zell-Pförtner funktioniert wie eine Blende
Image Ionenkanäle sorgen dafür, dass lebende Zellen nicht platzen und dass es beim Menschen zum Beispiel nicht zu Bluthochdruck kommt. Ein Pförtner öffnet und schließt die Zelle, und durch diesen Kanal können dann die Ionen hindurchströmen. Wissenschaftlern der Universität Bonn und der University of St. Andrews (Schottland) ist es nun gelungen, die Struktur dieses Türöffners aufzuklären. Die Ergebnisse erscheinen in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Biophysical Journal“. ACHTUNG SPERRFRIST: Nicht vor Dienstag, 18. Februar, 18 Uhr MEZ veröffentlichen!

Lebende Zellen befinden sich über Ionenkanäle im Austausch mit ihrer Umgebung. Durch winzige Poren in der Membran, die die Zelle umhüllt, können geladene Teilchen – sogenannte Ionen – hindurchwandern. „Wären diese Kanäle nicht vorhanden, würde zum Beispiel ein Bakterium platzen, wenn man es in reines Wasser gibt“, erläutert Prof. Dr. Olav Schiemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. Die Ionen wandern nämlich durch die Kanäle hindurch und gleichen dadurch Ionen- beziehungsweise Druckunterschiede zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle aus. Auch im Menschen sind Ionenkanäle von großer Bedeutung: Wenn diese Türen in der Zellmembran nicht richtig funktionieren, kommt es zum Beispiel zum Bluthochdruck.

Seit langem rätselt die Wissenschaft, wie die Kanäle sich öffnen und schließen. Einem internationalen Team von Wissenschaftlern um Prof. Schiemann von der Universität Bonn und Prof. Dr. James H. Naismith von der University of St. Andrews (Schottland) ist es nun gelungen, die Strukturen des mechanosensitiven Kanals kleiner Leitfähigkeit („Mechanosensitive channel of small conductance“ - MscS) im Darmbakterium Escherichia coli aufzuklären: „Der `Pförtner´ arbeitet wie die Blende in einem Fotoapparat“, berichtet Prof. Dr. James Naismith von der University of St. Andrews.

Wie die Blende in einem Fotoapparat

In der Kamera sind Lamellenbleche kreisförmig so angeordnet, dass sie sich ineinander verschieben lassen und der Lichtdurchlass enger oder weiter wird. In der Membran von E. coli sind die Ionenkanäle ganz ähnlich flexibel verschlossen. Die Pore wird von sieben gleichen Proteinen gebildet, die im Kreis angeordnet sind. Die Wände der Pore werden dabei von sogenannten Transmembranhelices gebildet, von der jede wie ein gewundenes Telefonkabel aussieht und zusammen - wie die Lamellenbleche beim Fotoapparat - das Loch verschließen oder weiten können. Je nach Größe der Pore können die Ionen durch den Kanal hindurchströmen oder nicht und damit wichtige Stoffwechselvorgänge für die lebenden Zellen regulieren.

Um dem Türöffner auf die Schliche zu kommen, markierten die Forscher die Positionen der sieben telefonkabelartigen Strukturen und maßen mit der PELDOR-Methode (Pulsed Electron–Electron Double Resonance) die Abstände zwischen den Markierungen. „Bei PELDOR handelt es sich um ein Lineal, das auf molekularer Ebene funktioniert“, erläutert Prof. Schiemann. „Wir konnten es auf MscS in seiner Membranumgebung anwenden.“ Die Wissenschaftler variierten die Positionen der Marker sehr häufig und wiederholten die Abstandsmessungen, bis sich eine Art Fingerabdruck der Struktur des Ionen-Pförtners im geschlossenen und offenen Zustand abzeichnete.

„Wir haben damit die Struktur der Pforte des Ionenkanals in seiner natürlichen Membranumgebung beschrieben“, sagt Prof. Schiemann. Es handelt sich bei den Aufzeichnungen um einen Schnappschuss, eine Art Standbild, das noch keinen Aufschluss darüber gibt, wie der Verschluss der Pore genau funktioniert. Es ist zum Beispiel noch unklar, wie der Mechanismus aussieht, mit dem ein erhöhter Zellinnendruck in eine Öffnung des Kanals übersetzt wird. Der Nachweis der Struktur dieses Ionenkanals wird es aber nun erlauben, gezielter Medikamente gegen Bakterien oder vielleicht auch Bluthochdruck zu entwickeln.


Den Artikel finden Sie unter:

http://www3.uni-bonn.de/Pressemitteilungen/047-2014

Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn (02/2014)


Publikation:
Probing the Structure of the Mechanosensitive Channel of Small Conductance in Lipid Bilayers with Pulsed Electron-Electron Double Resonance, Biophysical Journal, DOI: 10.1016/j.bpj.2014.01.008
 
Feste Flüssigkeiten
Image Chemiker der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Cambridge haben neuartige Metall-Organische Netzwerke entwickelt. Ähnlich einer Flüssigkeit weisen sie eine sehr große thermische Expansion auf, sie sind dennoch Feststoffe. Der thermische Expansionskoeffizient gibt an, wie stark sich ein Material bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Das verblüffende Phänomen beruht auf dem Wechselspiel der starken und schwachen Kräfte zwischen den geordneten und den ungeordneten molekularen Bausteinen des neuen Materials. Die Forscher berichten darüber in der Zeitschrift „Advanced Functional Materials“.

Ausgangsfrage
Flüssigkeiten reagieren sensibel auf Wärme oder Kälte. Je nach Art der Temperaturänderung steigt oder fällt der gefärbte Alkoholfaden im Thermometer. Hundertmal weniger empfindlich sind dagegen feste Stoffe, Beton oder Stahl zum Beispiel. Dennoch kommt kein Bauwerk ohne Dehnungsfugen aus. Besonders ungewöhnlich verhält sich Wasser, denn es dehnt sich beim Gefrieren aus. Eis schwimmt, Seen frieren von der Oberfläche her zu, und bei 4 °C hat Wasser seine größte Dichte. Kann es feste Stoffe geben, die sich wie Flüssiges verhalten, wenn ihnen heiß oder kalt wird? Und wenn das möglich wäre, was könnte man damit anfangen?

Extreme thermische Expansion
Die Forscher aus Bochum und Cambridge haben einen Trick angewandt, um die thermische Expansionsfähigkeit von sogenannten Metal-Organischen Netzwerken gezielt zu erhöhen. An den geordneten, organischen Baueinheiten des festen Rahmenwerkes wurden zusätzliche Molekülgruppen angebracht. Diese füllen die nanometer-großen Porenräume des Netzwerks teilweise aus. Die Gruppen verhalten sie sich wie eine ungeordnete Flüssigkeit, aber sie können wegen der Bindung an die Porenwände den Raum nicht verlassen. So überträgt sich ihre Wärmebewegung auf das Netzwerk. Beim Erwärmen bläht sich das feste Material schlagartig um ca. 20% auf. Jedoch bleibt seine kristalline Eigenschaft erhalten. Der Vorgang ist vollständig umkehrbar. Temperaturabhängige Röntgenbeugung und kalorimetrische Messungen ergaben extrem große thermische Expansionskoeffizienten, wie man sie bisher nur von Flüssigkeiten kannte, nicht aber von Feststoffen. Die Art der Seitengruppen hat großen Einfluss auf den Effekt. So spielen Länge und chemischer Charakter die entscheidende Rolle. Durch die gezielte Synthese von „Festen Lösungen“, die verschiedene Seitenketten in zufälliger Verteilung und beliebigen Verhältnissen im Netzwerk vereinen, können thermischen Eigenschaften der Materialien noch genauer kontrolliert werden. Die Erkenntnisse legen Grundlagen für Anwendungen in der Wärmespeicherung und -übertragung sowie der Sensorik.

Flexible Netzwerke
Metall-Organische Netzwerke (kurz MOFs, aus dem Englischen: Metal-Organic Frameworks) sind hochgeordnete (kristalline) Festkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur. Sie sind aufgebaut aus Metallionen (Knotenpunkte) und verknüpfenden organischen Molekülen (Verbinder; engl. Linker). Die Materialien zeichnen sich durch unvergleichlich hohe Porenvolumina und innere Oberflächen aus. Sie besitzen großes Potenzial für Anwendungen in der Brennstoffspeicherung, bei der Kohlenstoffdioxid-Abtrennung sowie bei der Katalyse. MOFs können flexibel sein und auf äußere Einflüsse mit strukturellen Änderungen reagieren. Bei Aufnahme von Gastmolekülen (z. B. Lösungsmittel oder Gase) „blähen“ die flexiblen MOFs ihre Struktur auf; das erhöht das Speichervermögen.


Den Artikel finden Sie unter:

http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2014/pm00019.html.de

Quelle: Ruhr-Universität Bochum (02/2014)


Titelaufnahme
S. Henke, A. Schneemann, R. A. Fischer (2013): Massive Anisotropic Thermal Expansion and Thermoreponsive Breathing in Metal-Organic Frameworks Modulated by Linker Functionalization, Advanced Functional Materials, 23, 5990-5996; DOI: 10.1002/adfm.201301256
 
Chemische Reaktionen in zellähnlichen Systemen liefern überraschende Vielfalt
Image In einem winzigen Tröpfchen könnte in Zukunft ein ganzes Chemie-Labor Platz finden. Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) ist es gelungen, in einem einfachen Modell einer künstlichen Zelle erstmals ein komplexes biochemisches System zu etablieren und zu untersuchen. Dabei entdeckten sie eine überraschende Vielfalt.

In einer biologischen Zelle laufen schier unendlich viele komplexe und miteinander verknüpfte Reaktionen ab. Um solche Netzwerke besser untersuchen zu können, versuchen Wissenschaftler um Professor Friedrich Simmel, Inhaber des Lehrstuhls für Bioelektronik der Technischen Universität München (TUM), sie mit den nötigen Komponenten in einer Art künstlichen Zelle nachzubauen. Dahinter steht zudem die Überlegung, solche Ein-Zell-Systeme in Zukunft beispielsweise als „Nanofabriken“ für die Herstellung komplizierter organischer Substanzen oder Biomaterialien zu nutzen.

Bisher funktionierten solche Versuche allerdings überwiegend nur mit sehr einfachen Reaktionen. Das Team um Professor Friedrich Simmel hat jetzt erstmals eine komplexere biochemische Reaktion in nur wenige Mikrometer kleinen Tröpfchen untersucht. Gemeinsam mit Kooperationspartnern von der University of California Riverside und vom California Institute of Technology in Pasadena, USA, präsentieren die Wissenschaftler ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe von Nature Chemistry.

Mit einmal Schütteln tausend Experimente

Für das Experiment gaben sie eine wässrige Reaktionslösung in Öl und schüttelten den Ansatz kräftig, so dass eine Emulsion mit Tausenden kleiner Tröpfchen entstand. Mit winzigen Mengen Material können sie so günstig und schnell eine extrem große Zahl paralleler Versuche gleichzeitig ansetzen.

Als Testsystem wählten die Forscher einen sogenannten biochemischen Oszillator. Dabei handelt es sich um mehrere Reaktionen mit DNA und RNA, die periodisch immer wieder hintereinander ablaufen. Ihr Rhythmus wird dadurch erkennbar, dass sich in einem Schritt zwei DNA-Stränge so aneinander lagern, dass ein Fluoreszenzfarbstoff leuchtet. Dieses gleichmäßige Blinken zeichnen die Wissenschaftler mit einer speziellen Kamera auf.

Kleine Tropfen – große Unterschiede

Mit ihrer Arbeit wollten Friedrich Simmel und seine Kollegen zunächst grundsätzlich untersuchen, wie sich ein komplexes Reaktionssystem verhält, wenn es auf Zellgröße herunterskaliert wird. Konkret stellten sie zudem die Frage, ob sich alle Tropfen-Systeme gleich verhalten und wodurch mögliche Unterschiede verursacht werden.

Ihre Versuche zeigten, dass die Oszillationen in den einzelnen Tröpfchen stark voneinander abwichen, und zwar stärker, als dies nach einem einfachen statistischen Modell zu erwarten gewesen wäre. Deutlich wurde vor allem, dass kleine Tropfen sich stärker unterschieden als große. „Es ist zunächst überraschend, in einem noch vergleichsweise einfachen chemischen System ähnliche Variabilität und Individualität zu beobachten, wie man dies sonst eher von biologischen Zellen her kennt“, erläutert Friedrich Simmel die Ergebnisse.

Exakt gleiche Systeme lassen sich so derzeit also nicht realisieren. Für die Praxis bedeutet das, entweder nach Möglichkeiten zu suchen, um diese Schwankungen zu korrigieren oder sie von vornherein mit einzukalkulieren. Darüber hinaus lassen sich die vielen leicht unterschiedlichen Systeme auch gezielt dazu nutzen, aus Tausenden von Ansätzen einen optimal laufenden herauszusuchen.

Die Forschung an komplexen biosynthetischen Systemen in künstlichen Zellen hält eine Menge weiterer Fragen bereit. Friedrich Simmel möchte sich in einem der nächsten Schritte den theoretischen Modellen dahinter widmen: „Es ist uns mit dieser Arbeit gelungen, über die hochparallele Aufnahme der Emulsionströpfchen zahlreiche interessante Daten zu gewinnen. Unser Ziel ist es nun, mit deren Hilfe die theoretischen Modelle von biochemischen Reaktionsnetzwerken bei kleinen Molekülzahlen zu überprüfen und zu verbessern.“

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der National Science Foundation (USA), der Europäischen Kommission, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich) sowie des Bayerischen Elitenetzwerks.


Den Artikel finden Sie unter:

http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/31346/

Quelle: Technische Universität München (02/2014)


Publikation:
“Diversity in the dynamical behavior of a compartmentalized programmable biochemical oscillator.” Maximilian Weitz, Jongmin Kim, Korbinian Kapsner, Erik Winfree, Elisa Franco, Friedrich C. Simmel. Nature Chemistry, Advance Online Publication: 16 February 2014. DOI: 10.1038/nchem.1869
 
Neue Form von künstlichem Graphen: Physiker entdecken potentiell revolutionäres Material
Image Künstliches Graphen“ – eine neue Art ultradünnes Supermaterial – könnte eine Technologierevolution auslösen und zu schnelleren, kleineren und leichteren elektronischen und optischen Geräten führen, wie zum Beispiel noch leistungsfähigeren Photovoltaikzellen, Lasern oder Leuchtdioden (LEDs).

Zum ersten Mal produzierten und analysierten Wissenschaftler künstliches Graphen aus traditionellen Halbleitermaterialien. Ein Durchbruch von so großer wissenschaftlicher Bedeutung, dass diese Entdeckung kürzlich in einem der weltweit führenden Physikjournalen, Physical Review X, veröffentlicht wurde. Eine Forscherin der Universität Luxemburg spielte eine wichtige Rolle in dieser Arbeit.

Bei Graphen (verwandt mit Graphit) handelt es sich um eine monoatomare Schicht, in der Kohlenstoffatome in Wabenform angeordnet sind. Dieses stabile, biegsame, leitfähige und transparente Material ist von großer wissenschaftlicher und technologischer Bedeutung. Seit seiner erst 2004 gemachten Entdeckung sind Forscher weltweit bemüht, mehr über seine unterschiedlichen Verwendungsmöglichkeiten herauszufinden. Künstlicher Graphen hat dieselbe Wabenstruktur, doch in diesem Fall werden statt Kohlenstoffatomen Nanometer-dicke Halbleiterkristalle verwendet. Durch Veränderung der Größe, Form und chemischen Natur der Nanokristalle können die Eigenschaften des Materials für verschiedene Zwecke optimiert werden.

Die Universität Luxemburg ist an vielen grenzübergreifenden, multidisziplinären Forschungsprojekten beteiligt. In diesem Fall arbeitete sie mit dem Institut für Elektronik, Mikroelektronik und Nanotechnologie (IEMN) in Lille (Frankreich), dem Debye Institute for Nanomaterials Science und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Utrecht (Niederlande) sowie dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer System in Dresden (Deutschland) zusammen.

Dr. Efterpi Kalesaki, Forscherin an der Universität Luxemburg, ist Erstautorin des Artikels in Physical Review X. „Diese selbstassemblierten, wabenförmigen Halbleiter-Nanokristalle sind eine neue Klasse von Systemen mit großem Potenzial“, so Dr. Kalesaki. Prof. Ludger Wirtz, Leiter der Gruppe Theoretische Festkörperphysik an der Universität Luxemburg, fügt hinzu: „Künstliches Graphen erschließt neue Möglichkeiten für eine große Vielfalt von Materialen mit wandelbarer Nano-Geometrie und 'abstimmbaren' elektronischen Eigenschaften.“


Den Artikel finden Sie unter:

http://wwwde.uni.lu/universitaet/aktuelles/topthema/weltweite_anerkennung_fuer_neue_form_von_kuenstlichem_graphen

Quelle: Universität Luxemburg - Université du Luxembourg (02/2014)


Publikation:
Dirac Cones, Topological Edge States, and Nontrivial Flat Bands in Two-Dimensional Semiconductors with a Honeycomb Nanogeometry.
http://prx.aps.org/abstract/PRX/v4/i1/e011010
 
Das Schicksal der Gene erforscht
Image Gene werden nicht nur von Generation zu Generation vererbt, es entstehen auch regelmäßig neue Gene. Ihre Anzahl im Organismus müsste also stetig ansteigen. Das ist jedoch nicht der Fall. Forschende der Vetmeduni Vienna zeigen erstmals, dass neu entstandene Gene auch wieder verschwinden und klären ein bislang ungelöstes Paradoxon. Das spontane Entstehen und Verschwinden von Genen ermöglicht Organismen eine rasche Anpassung an die Umwelt und treibt den Evolutionsprozess an. Die wissenschaftliche Arbeit wurde heute im Journal eLife veröffentlicht.

Wie entstehen neue Gene, so genannte de Novo oder Orphan Gene? Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass neue Gene durch Mutationen in einem bis dahin funktionslosen DNA Abschnitt, gewissermaßen aus dem Nichts entstehen. Interessanterweise haben diese Orphan Gene bereits eine Funktion, obwohl sie erst ganz jung sind. Bis zu 30 Prozent aller Gene in einem Organismus gehören zu diesen „jungen“ Genen. Sie wurden in der Fruchtfliege entdeckt, es gibt sie jedoch in allen Organismen, einschließlich des Menschen. WissenschfterInnen vom Institut für Populationsgenetik haben das Schicksal von Orphan Genen untersucht und erstmals gezeigt, dass Orphan Gene auch wieder verloren gehen und welche Faktoren das „Überleben“ dieser Gene beeinflussen.

„Junge“ Orphan Gene gehen rascher verloren

Institutsleiter Christian Schlötterer und Bioinformatiker Nicola Palmieri untersuchten gemeinsam mit KollegInnen den Lebenszyklus der Orphan Gene in Fruchtfliegen. Die Forschenden zeigten, dass die meisten Orphan Gene einen relativ kurzen Lebenszyklus besitzen. „Es gibt Gene, die im Verlauf der Evolution lange erhalten bleiben, wir bezeichnen diese Gene als konserviert. Orphan Gene sind genau das Gegenteil, sie kommen und gehen. Interessanterweise sind es die jüngeren Orphan Gene, die rascher wieder verschwinden. Orphan Gene die schon länger bestehen, bleiben eher vorhanden“, so Schlötterer.

Die Forschenden zeigten, dass es zwei Faktoren sind, die die Lebensdauer eines jungen Gens beeinflussen. Erstens bleiben aktive Gene, also jene die viel RNA produzieren, länger erhalten als weniger aktive Gene. Zweitens sind jene Gene, die in Männchen aktiver sind als in Weibchen, länger intakt.

Das kurze „Leben“ auf dem X-Chromosom

Auch der Ort an dem sich ein Orphan Gen befindet entscheidet über sein Fortbestehen. Orphan Gene auf X-Chromosomen (Männchen besitzen ein X- und Weibchen zwei X-Chromosomen), verlieren viel schneller ihre Funktion als Orphan Gene auf anderen Chromosomen. Zudem gibt es auf dem X-Chromosom mehr Orphan Gene als anderswo. Dieses Phänomen können die Forschenden bislang jedoch noch nicht erklären. Es scheint jedoch einen Mechanismus zu geben, der das „Überleben“ der Orphan Gene auf dem X-Chromosom erschwert.

Wichtige Werkzeuge der Evolution

Christian Schlötterer betont die Bedeutung der Orphan Gene für die Evolution: „Gerade für kurzfristige Anpassungen der Art, wenn Organismen etwas Neues und Innovatives brauchen, sind die Orphan Gene wahrscheinlich von großer Bedeutung. Werden sie nicht mehr gebraucht, gehen sie auch rasch wieder verloren. In einem kürzlich erschienen Science Paper zeigen KollegInnen wie diese Gene entstehen und wie sie sich verbreiten. Wir zeigen nun erstmals, wie und wann sie wieder verschwinden.“
Für ihre Studie untersuchten die Forschenden eine europäische Fruchtfliegenspezies (Drosophila pseudoobscura), deren genetischer Code schon lange bekannt ist. Sie verglichen die genetischen Daten fünf verwandter Fliegenstämme dieser Art und konnten so Orphan Gene identifizieren und den Lebenszyklus verschiedener Gene untersuchen.


Den Artikel finden Sie unter:

http://www.vetmeduni.ac.at/de/infoservice/aktuelles/news/detail/artikel/2014/02/17/orphan-gene/

Quelle: Veterinärmedizinische Universität Wien (02/2014)


Der Artikel „The life cycle of Drosophila orphan genes” von Nicola Palmieri, Carolin Kosiol und Christian Schlötterer wurde heute im Journal eLife veröffentlicht. http://arxiv.org/abs/1401.4956
 
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