Tandem repeat variation within and between species reveals signatures of selection in humans and chimpanzees

Stellen Sie sich Ihre DNA als eine riesige Bibliothek von Bedienungsanleitungen für den Bau eines Lebewesens vor. Die meisten dieser Anleitungen sind in einem einzigartigen, komplexen Code geschrieben. Aber verstreut finden sich bestimmte Seiten, die mit Tandem-Wiederholungen (TRs) gefüllt sind – Abschnitte, in denen derselbe Satz oder dieselbe Phrase immer wieder kopiert wird, wie zum Beispiel „ATATATAT“ oder „GCGCGCGC“.

Lange Zeit hatten Wissenschaftler Schwierigkeiten, diese spezifischen Seiten zu lesen. Da sich der Text so stark wiederholt, ist es so, als würde man versuchen, ein Buch zu lesen, in dem ein einziger Absatz 50 Mal hintereinander gedruckt ist; die Seiten bleiben stecken, und es ist schwer zu erkennen, wo eine Kopie endet und die nächste beginnt. Dies machte es schwierig, diese „Wiederholungsabschnitte“ zwischen verschiedenen Arten, wie Menschen und Schimpansen, zu vergleichen.

Die neue Karte
In dieser Studie verwendeten Forscher brandneue, hochauflösende Karten der Primaten-DNA (speziell „Telomer-zu-Telomer“-Genome, was bedeutet, dass sie endlich alle fehlenden Lücken gefüllt haben) und untersuchten detaillierte Daten von 46 Menschen und 23 Schimpansen. Sie erstellten einen vollständigen Katalog dieser Wiederholungsabschnitte und entwickelten einen neuen Satz von Werkzeugen, um sie nebeneinander zu vergleichen – indem sie untersuchten, wie sie sich innerhalb einer Spezies verändern (wie etwa zwischen zwei Menschen) und zwischen den Arten (wie etwa zwischen einem Menschen und einem Schimpansen).

Die „Goldlöckchen“-Zonen der DNA
Die Forscher fanden heraus, dass sich diese Wiederholungen unterschiedlich verhalten, je nachdem, wo sie in der DNA-Bibliothek sitzen:

• Die strengen Zonen: Wenn Wiederholungen in den „kodierenden“ Abschnitten (den Teilen, die Proteine bauen) oder ganz am Anfang der Anweisungen (5' URTs) zu finden sind, sind sie sehr stabil. Sie verändern sich kaum. Es ist, als würde die Natur hier ein „Bitte nicht berühren“-Schild anbringen. Dies deutet auf stabilisierende Selektion hin: Die Natur versucht aktiv, diese spezifischen Wiederholungen exakt gleich zu halten, da eine Änderung etwas Wichtiges beschädigen würde.
• Der überraschende Sweet Spot: Obwohl Wiederholungen in den Haupt-Kodierungsabschnitten eher selten sind (da sie dort riskant sind), kommen sie in den „5' UTR“-Bereichen überraschend häufig vor. Denken Sie an diese Bereiche als die „Regler“ für Gene. Die Tatsache, dass Wiederholungen hier dicht gepackt sind, deutologisiert, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Feinabstimmung der Funktionsweise von Genen spielen, und dass dieser Nutzen das Risiko ihrer Instabilität wert ist.

Evolutionäre Geschwindigkeitsmesser
Die Studie untersuchte auch, wie schnell diese Wiederholungen mutieren (sich verändern). Sie fanden heraus, dass die Veränderungsrate mit dem übereinstimmt, was wir in Stammbäumen (Trios aus Eltern und Kindern) sehen und was wir aus der tiefen Evolutionsgeschichte erwarten.

Das Finden der „speziellen“ Wiederholungen
Um die Wiederholungen zu finden, die aktiv durch die Evolution geformt werden (anstatt nur zufällig zu variieren), nutzten die Wissenschaftler eine kluge statistische Methode (einen „HKA-ähnlichen Ansatz“), die berücksichtigt, wie schnell ein spezifischer Ort normalerweise mutiert.

• Das Ergebnis: Sie fanden spezifische Wiederholungen, die Anzeichen von gerichteter Selektion (die dazu getrieben werden, sich in eine bestimmte Richtung zu verändern) oder balancierender Selektion (die Vielfalt bewahren) zeigen.
• Die Verbindung: Diese speziellen Wiederholungen konzentrieren sich stark in Genen, die mit dem Nervensystem und der Vernetzung von Gehirnzellen zusammenhängen. Dies deutet darauf hin, dass diese sich wiederholenden Muster ein wichtiger Bestandteil dessen sein könnten, wie sich die menschlichen Gehirne im Vergleich zu Schimpansengehirnen entwickelt haben.

Lautstärkeregelung und entgleisende Mutationen
Die Studie entdeckte auch, dass wenn diese Wiederholungen in der Nähe des „Startknopfs“ eines Gens (Promotoren) liegen, sie mit Veränderungen in der Menge der produzierten Proteine verknüpft sind. Insbesondere ist diese Verbindung in Modellen der Gehirnentwicklung stark ausgeprägt. Dies legt nahe, dass das Justieren dieser Wiederholungen ein Weg sein könnte, wie die Natur die „Lautstärke“ der Genexpression hoch- oder leiser dreht, um sich anzupassen.

Schließlich stellten sie bei der Betrachtung von Wiederholungen, die mit spezifischen Merkmalen assoziiert sind, fest, dass Menschen längere Wiederholungslängen und mehr Vielfalt aufweisen als Schimpansen. Dies sieht nach einem „Runaway“-Effekt aus, bei dem sich Mutationen in der menschlichen Abstammungslinie angehäuft haben, möglicherweise getrieben durch spezifische evolutionäre Kräfte.

Das große Ganze
Kurz gesagt, gibt uns diese Arbeit einen neuen Weg, die „Wiederholungsabschnitte“ unserer DNA zu lesen. Sie zeigt uns, dass die Natur zwar einige dieser Wiederholungen an Ort und Stelle einfriert, um uns zu schützen, aber andere auch als flexible Werkzeuge nutzt, um Innovationen voranzutreiben – insbesondere bei der Evolution unserer Gehirne und der Art und Weise, wie unsere Gene reguliert werden.