Es gibt wahrscheinlich nur wenige – wenn überhaupt – Leser, bei denen der Name Barbara McClintock nicht klingelt. Zwar erlangen alle Nobelpreisträger eine breite Anerkennung, doch in ihrem Fall kam erschwerend hinzu, dass sie einen harten Kampf um die Anerkennung ihrer Arbeit führen musste. Als Zytogenetikerin, die mit Mais als Modellsystem arbeitete, war sie zu dem Schluss gekommen, dass nicht alle Gene statische, feste Orte an bestimmten Stellen im Genom sind. Es ist eine höfliche Untertreibung zu sagen, dass ihre Schlussfolgerung, es gäbe „springende Gene“ – kodierende DNA-Elemente, die in der Lage sind, sich von einer chromosomalen Stelle zu einer anderen zu bewegen – auf allgemeinen Unglauben stieß. Die Zeit und das Gewicht der Daten gaben ihr Recht, und der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, den sie 1983 im Alter von 81 Jahren erhielt, war ebenso ein Zeugnis für ihre Beharrlichkeit wie für gute Wissenschaft.
Die von ihr entdeckten DNA-Merkmale werden korrekt als transponierbare Elemente oder Transposons bezeichnet. Strukturell weisen sie eine Reihe von Merkmalen auf, die einigen Arten von Viren (Retroviren) ähneln, und man kann sie in gewisser Weise mit einem Virus vergleichen, da sie sich mithilfe der Maschinerie der Wirtszelle halbautonom replizieren können. Im Gegensatz zu echten Viren verlassen Transposons jedoch nicht die Zelle, sondern ihre Nachkommen wandern einfach an einen neuen genomischen Ort, wo sie sich niederlassen. Sie sind das einfachste Beispiel für das so genannte „egoistische Gen“, ein Postulat, das besagt, dass genetische Elemente lediglich danach streben, sich selbst zu replizieren. Während die meisten Gene sich dazu „entschlossen“ haben, dies durch kooperative Verbindung mit anderen Genen zu tun, um lebensfähige, sich replizierende Organismen zu schaffen, tun Transposons dies rein aus eigenem Antrieb und eher als Parasit auf der Wirtszelle denn als produktiver Bestandteil eines größeren Ganzen. Unser heutiges Interesse an ihnen rührt zum einen daher, dass sie nicht nur in Mais vorkommen, sondern in den meisten Organismen, einschließlich des Menschen, und zum anderen von diesem schurkischen, jedes Gen für sich selbst, intrazellulären Lebensstil.
LINES und SINES
Beim Menschen gibt es nicht nur eine Art von Transposon, sondern eine Reihe von Typen, die aufgrund ihrer physischen Größe grob in Long Interspersed Elements (LINES) und Short Interspersed Elements (SINES) unterteilt werden. Je größer diese Elemente sind, desto mehr genetische Informationen können sie kodieren. Das als LINE-1 bekannte Element mit einer Größe von ~6000 Basenpaaren kodiert für zwei offene Leserahmen (Regionen, die in mRNA umgeschrieben und dann in Proteine übersetzt werden können). Eines dieser Proteine hat RNA-Bindungsaktivität, aber eine unklare biologische Funktion; das zweite hat Endonuklease (DNA-Schneiden) und reverse Transkription (Erzeugung von DNA-Sequenzen auf der Grundlage von RNA-Vorlagen). Nachdem ein LINE-1-Element transkribiert wurde (zum Teil durch Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen an seinem 5′-Ende), schneidet das exprimierte zweite Protein mit Hilfe seiner Endonuklease-Funktion die Wirts-DNA. Anschließend erstellt es mit Hilfe seiner reversen Transkriptasefunktion eine DNA-Kopie des vollständigen LINE-1-Transkripts. Diese DNA-Kopie wird in das geschnittene Wirtsgenom eingefügt, und die DNA-Reparaturmaschinerie der Wirtszelle ligiert diese Kopie an Ort und Stelle. Das Wirtschromosom hat nun eine neue Kopie von LINE-1 erhalten, die in jedem nachfolgenden zellulären Replikationszyklus als Teil der „normalen, angeborenen“ Kern-DNA repliziert wird. Dies wird als autonome Retrotransposition bezeichnet, da LINE-1 seine eigenen Schlüsselenzymfunktionen für diesen Prozess bereitstellt. Obwohl der Prozess selbst nur selten auftritt, kann man sich leicht vorstellen, wie dies über lange biologische Zeiträume zu einer Anhäufung von mehrfachen Replikatkopien des LINE-1-Elements führen kann. Man geht davon aus, dass LINE-1 das einzige völlig autonome transponierbare Element des menschlichen Genoms ist, und es hat sich als wirksame biologische Strategie erwiesen, denn fast 17 Prozent des menschlichen Genoms bestehen aus dieser Sequenz (etwa 170.000 Kopien pro Zelle)!
Unser heutiges Augenmerk gilt jedoch einem SINE, und zwar insbesondere der einen (eigentlich der einen Familie), die als Alu-Elemente bekannt ist. Benannt nach einer Restriktionsendonuklease-Stelle (Alu I), die sie charakteristischerweise enthalten, sind sie viel kürzer als LINE-1, nämlich nur etwa 280 Basenpaare lang. Das bedeutet, dass sie abgesehen von einigen Transkriptionsstartsignalen keine eigene Kodierungskapazität besitzen und somit nicht autonom sind. Tatsächlich benötigen Alu-Elemente für ihre Replikation sowohl zelluläre Faktoren als auch das zweite Proteinprodukt von LINE-1, so dass sie in gewisser Weise sowohl für die Wirtszelle als auch für die LINE-1-Elemente parasitär sind. Dieser „Parasit eines Parasiten“-Ansatz ist offenbar eine noch effektivere Strategie für selbstsüchtige Gene, da Aluelemente etwa 11 Prozent des menschlichen Genoms ausmachen (etwa 2 Millionen Kopien pro Zelle).
Biologische Auswirkungen
Es überrascht nicht, dass es einige sehr reale Auswirkungen gibt, wenn wir so viele genetische Trittbrettfahrer in unserem Genom haben – und instabile noch dazu. Insbesondere durch die Transkriptionssignale und andere genetische Signale, die sie tragen, kann ein Aluelement viele Aspekte der Expression des proximalen Wirtsgens beeinflussen, einschließlich des Niveaus der basalen Genexpression, des Intron-Spleißens und der Polyadenylierung sowie der RNA-Editierung. Der evolutionäre Druck auf die Zelle als Ganzes würde im Allgemeinen zu einer Anpassung des Wirtsgenoms führen, um die Auswirkungen eines bestimmten Aluelements im Kontext zu kompensieren oder in einigen Fällen vielleicht sogar einen Nutzen daraus zu ziehen. Solche Wirtsanpassungen brauchen jedoch Zeit, und klinische Pathologien können entstehen, wenn ein neuartiges Alu-Transpositionsereignis auftritt, das zu einer abrupten genetischen Veränderung an einem im Wesentlichen zufälligen Locus führt – der Einfügung einer neuen Alu-Kopie.
Da es sich um einen durch Transkription (RNA) initiierten Replikationsprozess handelt, ist die Replikation fehleranfällig. Im Gegensatz zu DNA-Polymerasen, von denen viele eine so genannte Korrekturfunktion enthalten, bei der jedes Nukleotid, das der entstehenden Vorlage hinzugefügt wird, einer zweiten Prüfung unterzogen wird, um eine echte komplementäre Übereinstimmung zu bestätigen, im Gegensatz zu einer Übereinstimmung, die auf einer vorübergehenden tautomeren Verschiebung beruht, sind RNA-Polymerasen biologisch auf Geschwindigkeit und Verarbeitungsfähigkeit optimiert. Sobald ein Nukleotid zu einem wachsenden Transkript hinzugefügt wird, eilt die Polymerase zur nächsten Base. Da ein Teil aller Basen, aus denen DNA und RNA bestehen, in tautomeren Formen vorliegen kann und dies auch tut, bei denen es im Vergleich zu den Formen, die wir in Lehrbüchern sehen, zu kurzen Umlagerungen von Wasserstoffen und Doppelbindungen kommt, neigen RNA-Transkripte dazu, geringe, aber signifikante Fehlkopierraten von ihrer DNA-Vorlage aufzuweisen.
Ich spüre, dass einige Leser plötzlich in Panik geraten: Warum, wenn das so ist, sind wir dann nicht alle aufgrund von Fehlern in regulären mRNA-Transkripten aufgeschmissen? Das liegt daran, dass wir mehrere Kopien von Transkripten aktiver Gene erstellen, und im Durchschnitt sind sie in Ordnung. Ob sie nun in Ordnung sind oder nicht, sie haben eine kurze Lebensdauer, bevor sie abgebaut und bei Bedarf durch neue Transkripte ersetzt werden. Seltene, sporadische Fehler in mRNAs sind daher wahrscheinlich nicht von Bedeutung.
Wenn man nun aber diese nicht ganz perfekte RNA-Kopie einer DNA nimmt und sie für eine langfristige Vermehrung wieder in DNA zurücktranskribiert, hat man diese genetische Veränderung für lange Zeit fixiert. Dies hat zur Folge, dass nur ein kleiner Teil der Alu-Elemente in unseren Genen tatsächlich in der Lage ist, sich zu replizieren und neue Kopien von sich selbst einzufügen. Insgesamt schätzt man, dass es nur etwa eine neue Alu-Insertion gibt. Das ist sehr gut, denn diese Einfügungen sind potenziell problematisch.
Denken Sie daran, dass etwa ein Prozent oder etwas mehr des menschlichen Genoms für Wirtsproteine kodiert (etwa 21.000 Gene). Wenn wir also wahllos Schnitte machen und unverwandte DNA in das Genom einfügen, liegt es auf der Hand, dass etwa ein Prozent davon in Genen zu finden ist und das Ergebnis eine Inaktivierung des Gens durch Einfügung ist. Da das Alu-Element Transkriptionssignale und möglicherweise andere regulatorische Elemente trägt, ist es auch durchaus möglich, dass es unerwünschte Einflüsse auf die Genexpression von Dingen ausübt, die sich lediglich in seiner Nähe befinden. In beiden Fällen kommt es zu einer Dysregulation eines Gens oder mehrerer Gene, die mit ziemlicher Sicherheit schädliche Folgen hat.
Außerdem wird genau dieses Verfahren bei einigen Modellorganismen eingesetzt, um Gene zu identifizieren, die mit einem phänotypischen Merkmal zusammenhängen. Vereinfacht gesagt, können im Organismus endogene Transposons zur Aktivierung angeregt werden, und die Nachkommenschaft des Organismus mit Veränderungen des gewünschten Phänotyps wird auf neue Transposon-Insertionsstellen untersucht, in der Annahme, dass diese in oder in der Nähe von Genen liegen, die mit dem Phänotyp in Zusammenhang stehen. Das nennt man Transposon-Tagging.
Neben neuartigen Retrotranspositionsereignissen, die zu einer Insertionsinaktivierung führen, kann die hohe Gesamtzahl von Aluelementen an sich zu anderen genetischen Problemen führen. Insbesondere können diese lokalen Inseln der Sequenzähnlichkeit Punkte für ungleiche homologe Rekombinationsereignisse sein, bei denen der chromosomale Kontext um jedes Aluelement nicht der gleiche ist. Diese können sowohl extrachromosomal (was zum Austausch nicht homologer Chromosomenabschnitte führt) als auch intrachromosomal (wo sie zur Deletion oder Duplikation von Regionen führen, je nachdem, ob die beiden Aluelemente in gleicher oder umgekehrter Polarität ausgerichtet sind) auftreten.
Beispiele aus dem wirklichen Leben
Nachdem wir nun die Theorie behandelt haben, dass es beim Menschen tatsächlich mobile genetische Elemente gibt, die manchmal aktiviert werden und neue Kopien von sich selbst einfügen, was für die Zelle schlimme Folgen haben kann – was ist mit Beispielen aus dem wirklichen Leben? Gibt es in der klinischen Praxis Menschen mit Problemen, die auf neuartige Alu-Insertionen zurückzuführen sind? Absolut; bereits 19991 wurde geschätzt, dass neuartige Alu-Insertionen bei etwa einer von 200 Lebendgeburten nachweisbar sind und für 0,1 Prozent der bekannten genetischen Störungen verantwortlich sind. Zu den besonderen Berichten aus der Literatur gehören das spontane Auftreten von Hämophilie;2-4 Apert-Syndrom;5 Neurofibromatose Typ 1;6 und Optikusatrophie.7 Leser, die eine längere Liste suchen, werden auf eine Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2012 und ihre Referenzen verwiesen, die unten als Referenz acht aufgeführt sind.
Klinische Präsentationen im Zusammenhang mit Alu-beeinflussten Rekombinationsereignissen sind wahrscheinlich schwieriger mit Sicherheit zu identifizieren als solche, die auf Insertionsereignisse zurückzuführen sind, aber es wurden Fälle berichtet (siehe Referenz neun für ein Beispiel) und sind wahrscheinlich häufiger, als wir wissen.
Aus der Sicht der Behandlung ist jede Alu-induzierte Mutation – ob Insertions- oder Rekombinationsmutation – einzigartig, und die Behandlung (wenn überhaupt) müsste sich wahrscheinlich auf direkte biochemische Eingriffe in die betroffenen Signalwege beziehen, wo dies möglich ist, oder vielleicht auf gentechnische Instrumente, wie sie bei anderen angeborenen genetischen Störungen in Betracht gezogen werden. Sie bleiben daher für den Kliniker eher eine Kuriosität als eine Art von Zustand mit einer gemeinsamen Behandlung oder Vorbeugung – aber wahrscheinlich eine von nicht unbedeutender Häufigkeit an der Wurzel neuartiger genetischer Präsentationen.
- Alu-Wiederholungen und menschliche Krankheiten. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- Ein Alu-Insert als Ursache für eine schwere Form der Hämophilie A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Hämophilie B aufgrund einer de novo-Insertion eines human-spezifischen Mitglieds der Alu-Unterfamilie in der kodierenden Region des Faktor IX-Gens. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Exon-Skipping verursacht durch eine intronische Insertion eines jungen Alu Yb9-Elements führt zu schwerer Hämophilie A. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-Element-Insertionen in FGFR2 identifizieren eine unterschiedliche pathologische Grundlage für das Apert-Syndrom. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- Eine de novo Alu-Insertion führt zu Neurofibromatose Typ 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Alu-Element-Insertion in einer OPA1-Intron-Sequenz im Zusammenhang mit autosomal-dominanter Optikusatrophie. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Alu Mobile Elemente: From Junk DNA to Genomic Gems. Dridi S. Scientifica 2012. Artikel-ID 545328, 11 Seiten.
- Mutation im LDL-Rezeptor: Alu-Alu-Rekombination löscht Exons, die Transmembran- und zytoplasmatische Domänen kodieren. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.