Älteste Teile des Genoms behalten trotz Mutationen ihre Funktion

Zentromere stellen die essenziellen Verankerungspunkte der Kinetochor-Maschinerie für die Chromosomensegregation während der Mitose und Meiose dar. Trotz dieser seit nahezu zwei Milliarden Jahren stark konservierten biologischen Funktion unterliegt die zugrunde liegende DNA-Sequenz einer extremen evolutionären Divergenz – ein Phänomen, das in der Genetik als „Zentromer-Paradoxon“ bezeichnet wird. Unter Federführung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln hat ein internationales Konsortium – unter Beteiligung von Forschenden aus Tübingen, Karlsruhe, München und Sheffield – die zugrunde liegenden Mutationsmechanismen aufgeschlüsselt.

Charakterisierung zentromerspezifischer Mutationsmuster

Am Modellorganismus Arabidopsis thaliana analysierte das Team direkte spontane Generationsmutationen innerhalb der Zentromerregionen. Die Hochdurchsatz-Analysen offenbaren ein hochspezifisches Mutationsprofil im Vergleich zu den euchromatischen Chromosomenarmen:

• Punktmutationen: Die Substitutionsrate einzelner Nukleotide liegt in Zentromeren um fast das Zehnfache höher als in den Flankenregionen.
• InDel-Events: Es treten gehäuft Insertionen und Deletionen auf, die typischerweise Spannen von mehreren Hundert bis Tausend Basenpaaren umfassen.

Die Zentromerarchitektur von Arabidopsis thaliana basiert im Wesentlichen auf Tidem-Repeats einer 178-bp-Monomereinheit. Die identifizierten InDel-Mutationen fügen nahezu ausschließlich integrale Vielfache dieser Basis-Monomere ein oder deletieren diese, wodurch die repetitive Grundstruktur trotz hoher Dynamik konserviert bleibt. „Zentromere sind viel dynamischer, als es von einer Region des Genoms mit einer so wesentlichen Funktion erwartbar wäre“, sagt Xiao Dong. „Gleichzeitig sind die Mutationen bemerkenswert strukturiert: Sie verändern das Zentromer, bewahren dabei aber seine grundlegende repetitive Organisation.“

Makroevolutionäre Muster durch Akkumulation lokaler Mutationen

Ein zentrales Merkmal natürlicher Zentromere sind Megabasen-große Blöcke hochhomologer Repeat-Einheiten. Bioinformatische Simulationen auf Basis der experimentell ermittelten Mutationsraten demonstrieren nun, dass zur Ausbildung dieser großskaligen Muster keine makroevolutionären Chromosomenumstrukturierungen erforderlich sind. Prof. Schneeberger: „Nach bisheriger Meinung bedürfen Strukturen dieser Größe großen Mutationen oder erfordern weitreichende Umlagerungen, um sich zu bilden. Unsere Studie zeigt aber, dass dies nicht notwendig ist.“

In den Rechenmodellen führte die kontinuierliche Akkumulation von InDels im Kilobasen-Bereich über tausende Generationen hinweg schrittweise zur Formation der charakteristischen Megabasen-Blöcke. „Dieser Größenunterschied ist bemerkenswert“, sagt Xiao Dong: „In natürlichen Zentromere erkennen wir riesige Muster, die sich über Millionen von DNA-Basen erstrecken. Sie sind aber nicht durch umfangreiche Veränderungen entstanden, sondern indem sich viele relativ kleine Mutationen angehäuft haben.“

„Seit unseren ersten Untersuchungen zu spontanen Mutationsraten bei Pflanzen vor fast 20 Jahren haben wir uns gefragt, ob verschiedene Teile des Genoms auf unterschiedliche Weise mutieren“, sagt Prof. Dr. Detlef Weigel. „Diese Studie zeigt, dass Zentromere tatsächlich anders sind. Ihre ungewöhnliche Mutationsdynamik hilft zu erklären, warum Zentromere so deutlich hervorstechen, wenn wir Genome verschiedener Individuen und Populationen vergleichen.“ Prof. Schneeberger: „Unsere Arbeit verbindet zwei sehr unterschiedliche evolutionäre Skalen: lokale Mutationen, die von einer Generation zur nächsten auftreten, und die enormen Unterschiede zwischen Zentromeren, die sich über Tausende von Evolutionsgenerationen hinweg herausbilden.“

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (09/2026)