29.04.2019: Würden sich Transponierbare Elemente (TEs) – dabei handelt es sich um kurze parasitische DNA-Abschnitte – in Lebewesen unkontrolliert ausbreiten, könnte dies zum Aussterben zahlreicher Tierarten führen. Doch die Evolution hat vorgesorgt und dieser Bedrohung einen Riegel vorgeschoben: Kleine RNAs – sogenannte piRNAs – des Wirttieres stoppen die Aktivität von TEs zuverlässig. Eine soeben erschienene Studie der Vetmeduni Vienna untersuchte nun den Abwehrmechanismus genauer und zeigt erstmals, dass besondere Anhäufungen von piRNAs („piRNA-Cluster“) das Aussterben von Arten durch unregulierte egoistische DNA verhindern können.

Bei Transponierbaren Elementen (TEs) handelt es sich um kurze DNA-Abschnitte, die sich innerhalb von Genomen vermehren, selbst wenn diese Aktivität schädliche Auswirkungen auf den Wirt hat. Es gibt jedoch auch vorteilhafte TE-Insertionen, die zum Beispiel Resistenz gegen Insektizide verleihen. Insgesamt bleibt der Nutzen von TEs jedoch umstritten und die Forschung geht davon aus, dass TE-Insertionen keine oder nur eine geringe positive Wirkung haben. Aufgrund der Fähigkeit, sich innerhalb von Genomen zu vermehren, dringen TEs häufig in neue Populationen und Arten ein, wobei die unkontrollierte Verbreitung von TEs sogar zum Aussterben von Wirtspopulationen führen kann. Daher ist es für Organismen unerlässlich, die Ausbreitung von TEs zu kontrollieren.

piRNA-Cluster stoppen gefährliche TEs

Bei Säugetieren und wirbellosen Tieren wird die Ausbreitung eines Transponierbaren Elements (TE) gestoppt, wenn diese parasitische DNA zufällig in einen piRNA-Cluster springt – so lautet eine als Fallenmodell bezeichnete Hypothese. In einer soeben erschienenen Studie untersuchte nun Robert Kofler vom Institut für Populationsgenetik der Vetmeduni Vienna die Dynamik von TE-Invasionen nach diesem Modell mittels Computersimulationen im großen Maßstab. Kofler kam zu folgenden Ergebnissen: „Wir haben herausgefunden, dass gewisse piRNA-Cluster einen erheblichen Nutzen bieten und das Aussterben von Wirtspopulationen durch eine unkontrollierbare Weiterverbreitung von schädlichen TEs wirksam verhindern.“

TE-Invasionen laufen in drei Phasen ab

Weiters konnte Kofler zeigen, dass TE-Invasionen aus drei unterschiedlichen Phasen bestehen: Erstens vermehren sich die TEs rasend schnell innerhalb der Population, danach kommt es zu einer instabilen Drosselung des TEs durch verstreute Insertionen in piRNA-Clustern und letztlich zu einer permanenten Inaktivierung des TEs durch eine fixierte Insertion in einen piRNA-Cluster, d.h. eine Insertion, die alle Individuen in einer Population haben. Als wesentlicher Einflussfaktor für die TE-Häufigkeit wurde dabei die Größe der piRNA-Cluster identifiziert. Konkret fand der Forscher bei der Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Clusterarchitekturen heraus, dass ein einzelner nicht rekombinierender Cluster – z. B. der somatische Cluster „Flamenco“ bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster – effizienter ist, um Invasionen zu stoppen, als Cluster, die über mehrere Chromosomen verteilt sind wie z. B. Keimbahncluster in Drosophila. „Bei der Anwendung dieses Ansatzes auf reale Daten von Drosophila stellten wir fest, dass das Fallenmodell die Häufigkeit an Keimbahn-TEs einigermaßen gut abbildet. Überraschenderweise jedoch nicht die Zahl an somatischen TEs. Es ist noch völlig unklar, warum das so ist. Weiterführende Studien wären deshalb wünschenswert“, so Kofler.

Abwehrsystem mit piRNAs schützt in hohem Maße

Das Abwehrsystem gegen TEs basiert auf kleinen RNAs, den sogenannten piRNAs. Diese strukturieren sich in Clustern und können einen erheblichen Teil des Genoms ausmachen. Bei der im Fallenmodell verwendeten Fruchtfliege Drosophila melanogaster beispielsweise machen piRNA-Cluster etwa 3,5% des Genoms aus. Mehrere Studien haben gezeigt, dass eine einzelne TE-Insertion in einem piRNA-Cluster ausreichen kann, um die Aktivität eines TE zu unterdrücken. Aus diesen Beobachtungen resultierte das „Fallenmodell“, das besagt, dass sich ein eindringender TE innerhalb eines Wirts so lange weiterverbreitet, bis mindestens eine Kopie in einen piRNA-Cluster (die Falle) springt, der die Produktion von piRNAs auslöst, wodurch das eindringende TE ausgeschaltet wird. piRNAs und piRNA-Cluster wurden in vielen verschiedenen Arten wie Fliegen, Würmern, Mäusen und Menschen gefunden. Es ist daher wahrscheinlich, dass das Fallenmodell für die meisten Wirbellosen und Säugetiere gilt. Trotz dieser breiten Anwendbarkeit wurde die Dynamik der TE-Invasionen im Fallenmodell bislang wenig erforscht.

Der Artikel „Dynamics of transposable element invasions with piRNA clusters“ von Robert Kofler wurde in Molecular Biology and Evolution veröffentlicht.