Centromeres are hotspots of cytosine methylation epimutations in a filamentous fungus

Stellen Sie sich Ihre DNA als die große Bedienungsanleitung vor, die zum Bauen und Betreiben eines Lebewesens dient. Normalerweise denken wir, dass die „Tippfehler“ in dieser Anleitung – Änderungen an den eigentlichen Buchstaben des Codes – der einzige Weg sind, wie Merkmale weitergegeben oder verändert werden. Aber es gibt eine zweite Ebene der Anleitung, wie Klebezettel, Textmarker und Büroklammern, die an den Seiten befestigt sind. Dies sind epigenetische Markierungen. Sie ändern nicht die Wörter auf der Seite, aber sie sagen der Zelle, welche Kapitel sie lesen, welche sie ignorieren und welche sie in einem Tresor verschlossen halten soll. Manchmal werden diese Klebezettel versehentlich verschoben, hinzugefügt oder abgerissen. Wenn diese versehentlichen Änderungen an die nächste Generation von Zellen weitergegeben werden, nennt man sie Epimutationen.

Wissenschaftler haben sich lange gefragt: Wie oft geraten diese Klebezettel durcheinander? Bleiben sie an ihrem Platz oder wandern sie im Genom umher? Und spielt das eine Rolle? In Pflanzen und einigen Tieren wissen wir, dass sich diese Markierungen schnell ändern können und manchmal sogar einem Organismus helfen, sich anzupassen. Aber in der Welt der Pilze, speziell bei einem Schimmelpilz namens Neurospora crassa, war die Regel etwas mysteriös. Diese Studie taucht in diesen Schimmelpilz ein, um zu sehen, ob diese epigenetischen „Klebezettel“ stabil sind, wie schnell sie sich ändern und ob sie nur zufälliges Rauschen oder etwas sind, das die Evolution vorantreiben könnte.

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Das Chaos der Klebezettel in der schimmeligen Bibliothek

In dieser Studie behandelten Forscher eine Population von Neurospora crassa wie eine Gruppe von Klonen in einem riesigen, endlosen Spiel von „Stille Post“. Sie begannen mit einem einzigen Vorfahren-Schimmelpilzes und teilten ihn in 20 separate Familienlinien auf. Über 40 Generationen hinweg zwangen sie jede Linie dazu, zu wachsen, indem sie jeweils nur einen winzigen Sporenpunkt starteten, um die nächste Charge zu bilden. Dieser „Einzelsporen-Flaschenhals“ ist ein kluger Trick: Er minimiert die Macht der natürlichen Selektion. Es ist, als ließe man nur eine einzige Person in einem Raum entscheiden, wie die nächste Generation aussieht, ungeachtet dessen, ob sie die „beste“ oder die „schlechteste“ ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, dass sich zufällige Fehler – sowohl in den DNA-Buchstaben als als auch in den epigenetischen Klebezetteln – ansammeln, ohne herausgefiltert zu werden.

Das Team nahm dann eine Lupe und untersuchte diese Schimmelpilzlinien auf zwei Dinge: die DNA-Methylierung (die „Klebezettel“, die Gene stummschalten) und eine spezifische Histon-Markierung namens H3K9me3 (eine „Büroklammer“, die hilft, die Stille an Ort und Stelle zu halten). Sie wollten sehen, ob sich diese Markierungen im Laufe der Zeit veränderten und, falls ja, ob diese Veränderungen Bestand hatten.

Das Zentromer: Ein Hotspot für das Chaos

Die Ergebnisse waren ein wenig so, als würde man feststellen, dass der wichtigste, verschlossene Tresor einer Bibliothek der einzige Ort ist, an dem die Bücher zufällig neu einsortiert werden. Die Forscher entdeckten, dass Zentromere – die dichten, knotenartigen Regionen in der Mitte der Chromosomen, die normalerweise voll mit „Junk“-DNA und repetitiven Sequenzen sind – die Hotspots für spontane Epimutationen sind.

In diesen zentromerischen Regionen veränderten sich die DNA-Methylierungsmarkierungen wild. Das Team fand heraus, dass diese Änderungen etwa 30.000 Mal schneller stattfanden als tatsächliche genetische Mutationen (Änderungen an den DNA-Buchstaben selbst). Aber hier kommt die Wendung: Diese Änderungen waren nur in den Zentromeren stabil. Wenn sich ein Klebezettel im „Euchromatin“ (den offenen, genreichen Bereichen, in denen aktive Gene leben) bewegte, blieb er nicht an seinem Platz. Es war wie ein Zettel, der auf einer Seite verschoben wurde und dann sofort abfiel, wenn das Buch das nächste Mal geöffnet wurde. Aber in den Zentromeren wurden die Änderungen bei jeder Zellteilung getreu übertragen, was zu einer Divergenz zwischen den verschiedenen Schimmelpilzlinien führte.

Die Büroklammer, die sich niemals bewegt

Eine der überraschendsten Erkenntnisse betraf die „Büroklammern“ (H3K9me3). In Neurospora verlassen sich die Klebezettel (DNA-Methylierung) normalerweise auf diese Büroklammern, um an ihrem Platz zu bleiben. Man würde erwarten, dass, wenn die Büroklammern sich bewegen, die Klebezettel folgen. Aber die Forscher fanden heraus, dass die Büroklammern felsenfest waren. Sie bewegten sich selbst über 40 Generationen hinweg kaum.

Dies bedeutet, dass die DNA-Methylierungsänderungen in den Zentromeren unabhängig von den Büroklammern stattfanden. Die Klebezettel wurden umgeschichtet, obwohl die Büroklammern, die das Buch geschlossen halten, vollkommen unbeweglich blieben. Dies deutet darauf hin, dass der Mechanismus, der diese Markierungen in den Zentromeren hält, einzigartig ist und nicht einfach nur auf dem üblichen „Büroklammer“-System basiert.

Die „Tippfehler“-Theorie ausschließen

Bevor sie feierten, mussten die Wissenschaftler fragen: „Sind diese Klebezettel-Änderungen tatsächlich nur durch Tippfehler in der DNA verursacht worden?“ Vielleicht hat sich ein Buchstabe geändert, was dann dazu führte, dass sich der Klebezettel bewegte? Um dies zu testen, verglichen sie die Epimutationen mit den tatsächlichen genetischen Mutationen (Tippfehlern), die sie in denselben Schimmelpilzlinien gefunden hatten.

Die Antwort war ein hartes Nein. Sie fanden hunderte von Epimutationen (Klebezettel-Änderungen), aber sehr wenige genetische Mutationen (Tippfehler). Noch wichtiger war: Wenn sich ein Klebezettel änderte, geschah dies oft ohne einen nahegelegenen DNA-Tippfehler. Tatsächlich änderten sich die Klebezettel in vielen Fällen vor und zurück, was ein permanenter DNA-Tippfehler nicht hätte erklären können. Dies beweist, dass es sich um echte spontane Epimutationen handelt – Änderungen in der epigenetischen Ebene, die von selbst geschehen und nicht nur ein Nebeneffekt von defekter DNA sind.

Was bedeutet das für die Evolution?

Was ist also das große Ganze? Die Studie zeigt, dass Neurospora zwar voller schneller, spontaner epigenetischer Veränderungen steckt, diese aber meist in den „Junk“-Zonen des Genoms (den Zentromeren) gefangen sind. Da diese Regionen arm an Genen sind und keine Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthalten, bewirken diese chaotischen Klebezettel wahrscheinlich nicht viel, um dem Schimmelpilz zu helfen, sich anzupassen oder neue Merkmale zu entwickeln.

Es ist, als würde man tausend Menschen dabei beobachten, wie sie hektisch die Möbel im Kellerlager umstellen, während das Wohnzimmer (wo die Gene leben) perfekt organisiert und unverändert bleibt. Die Studie legt nahe, dass Epimutationen zwar ein reales und häufiges Phänomen in Pilzen sind, ihr Einfluss auf die Evolution jedoch begrenzt sein könnte, weil sie im falschen Teil des Hauses gefangen sind. Die Forscher fanden keine Beweise dafür, dass diese Änderungen den Schimmelpilz besser oder schlechter machen; sie fanden lediglich ein sehr aktives, sehr lautes, aber weitgehend harmloses Spiel von „Musical Chairs“, das in den dunklen Ecken des Genoms stattfindet.