Die Evolution eines neuen Gens beginnt oft mit der Verdopplung eines bereits vorhandenen. Darauf lassen Genomanalysen von verschiedenen Lebewesen schließen. Eine der beiden zunächst identischen Genkopien kann sich nach dieser Theorie durch Mutationen mit der Zeit so weit verändern, dass schließlich ein neues Gen mit einer neuen Funktion entsteht. Ein konkretes Beispiel für einen solchen Prozess haben amerikanische und chinesische Wissenschaftler jetzt im Fachblatt Nature Genetics beschrieben.
Jianzhi Zhang von der University of Michigan und seine Kollegen der National Institutes of Health und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften untersuchten die Funktion zweier Gene im Genom asiatischer Kleideraffen. “Diese Affen unterscheiden sich von anderen Affen darin, dass sie hauptsächlich Blätter anstatt Früchte oder Insekten fressen. Und Blätter sind sehr schwer zu verdauen”, sagt Zhang. Die Tiere sind daher auf Darmbakterien angewiesen, die die Cellulose verwerten, sich vermehren und schließlich selbst verdaut werden. Dabei wird die Ribonukleinsäure (RNA) der Bakterien im Dünndarm durch das Enzym RNase gespalten. Die entstehenden Bruchstücke stehen dann als Stickstoffquelle zur Verfügung.
Im Gegensatz zu verwandten, nicht Blätter fressenden Affen besitzen die Kleideraffen zwei Gene, die für zwei verschiedene RNasen kodieren. Analysen der DNA-Sequenzen ergaben, dass beide Gene aus einer Genverdopplung hervorgegangen sind, als die Kleideraffen sich von den übrigen Altweltaffen abgespalten haben. Während eine der beiden Genkopien unverändert blieb, mutierte das andere Gen und ermöglichte die Bildung eines zweiten, RNase 1b genannten Enzyms. Dieses Protein trug mehr negative Ladungen als die ursprüngliche RNase 1. Die Wissenschaftler stellten fest, dass im Dünndarm der Kleideraffen, nicht aber bei verwandten Arten, ein saures Milieu herrscht. Unter diesen Bedingungen hatte die neue RNase 1b eine im Vergleich zur RNase 1 sechsfach erhöhte Aktivität. “Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass es sich hier um eine Anpassung an das saure Milieu des Dünndarms von Kleideraffen handelt”, sagt Zhang.
Die Genverdopplung fand statt, nachdem die Affen ihre Ernährung auf Blätter umgestellt hatten. Die veränderte Lebensweise stellte dann den Selektionsdruck dar, der die vorteilhafte genetische Veränderung ermöglichte. Wenn aber das neu entstandene RNase-Gen vorteilhafter ist, stellt sich die Frage, warum das alte Gen noch erhalten blieb. Zhang vermutet, dass die beiden RNasen unterschiedliche Funktionen haben könnten. Das eine Enzym sei für den Abbau von RNA im Dünndarm optimiert worden, das andere könnte für eine andere Aufgabe wie die Zerstörung doppelsträngiger RNA zur Abwehr von Viren besser geeignet sein.
Joachim Czichos
