Uralte Viren: Forscher entdecken geheimen Code in unserer DNA

Acht Prozent unseres Genoms stammen von uralten Viren - doch was macht diese "Schrott-DNA" wirklich? Forscher entdeckten vier Gruppen viraler Relikte, die Gene steuern können. Besonders eine zeigt überraschende Aktivität in mensch­lichen Stamm­zellen.

Virale DNA-Relikte sind Genregulatoren

Etwa acht Prozent des menschlichen Genoms stammen von Viren, die unsere Vorfahren vor Millionen von Jahren infizierten. Was lange Zeit als nutzloser "Schrott" galt, könnte jedoch eine entscheidende Rolle bei der Steuerung unserer Gene spielen. Eine internationale Studie von Forschern der McGill University und der Kyoto University zeigt nun, dass diese Sequenzen möglicherweise dabei helfen, Gene an- und auszuschalten.

Die viralen DNA-Relikte, auch als endogene Retroviren (ERVs) bekannt, entstanden durch einen evolutionären Prozess. Wenn Retroviren eine Zelle infizieren, integrieren sie ihre DNA in das Wirtsgenom. Normalerweise produziert die infizierte Zelle dann neue Viren. Doch manchmal werden diese viralen Sequenzen durch Mutationen deaktiviert und verbleiben als "fossile" DNA-Fragmente im Genom. Über Millionen von Jahren sammelten sich so unzählige virale Sequenzen in unserem Erbgut an.

Neue Methode deckt versteckte Funktionen auf

Die Forscher entwickelten eine innovative Methode, um virale DNA-Sequenzen anhand ihrer evolutionären Geschichte zu gruppieren, anstatt sie nur nach Sequenzähnlichkeit zu klassifizieren. Die Herangehensweise ermöglichte es, Muster zu identifizieren, die darauf hindeuten, welche Sequenzen bei der Kontrolle der Genaktivität eine Rolle spielen könnten.

Die Studie konzentrierte sich auf eine Familie von transponierbaren Elementen namens MER11. Diese Sequenzen, die ursprünglich von antiken Viren stammen, können ihre Position im Chromosom verändern - ein Phänomen, das erstmals 1983 von Barbara McClintock entdeckt und mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet wurde. McClintocks Arbeit mit Mais-Chromosomen verbesserte unser Verständnis der Genomdynamik und zeigte, dass Gene nicht statisch, sondern beweglich sind.

Transponierbare Elemente, auch "springende Gene" genannt, machen etwa 45 Prozent des menschlichen Genoms aus. Sie werden in zwei Hauptkategorien unterteilt: DNA-Transposons, die sich direkt bewegen, und Retrotransposons, die sich über RNA-Zwischenstufen vermehren. MER11 gehört zur Gruppe der LTR-Retrotransposons (Long Terminal Repeat), die strukturelle Ähnlichkeiten mit Retroviren aufweisen.

Vier statt drei Untergruppen identifiziert

Das Forschungsteam stellte fest, dass MER11 nicht, wie bisher angenommen, aus drei, sondern aus vier verschiedenen Untergruppen besteht. Die jüngste Gruppe, MER11_G4, zeigte eine besonders starke Fähigkeit zur Genaktivierung und war vor allem in menschlichen Stammzellen aktiv. Diese Gruppe enthält ein einzigartiges DNA-Motiv, das nur bei Menschen und Schimpansen vorkommt.

Die Entdeckung der vierten Untergruppe war nur durch die neue phylogenetische Klassifizierungsmethode möglich. Traditionelle Ansätze, die auf Sequenzähnlichkeit basieren, hätten diese subtilen, aber wichtigen Unterschiede übersehen. Die verschiedenen MER11-Gruppen entstanden zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Primatenevolution, wobei MER11_G4 die jüngste Ergänzung darstellt.

Bedeutung für Medizin und Evolution

Um die Funktion zu testen, verwendeten die Wissenschaftler eine Technik namens lentiMPRA (lentiviral Massively Parallel Reporter Assay), mit der Tausende von DNA-Sequenzen gleichzeitig untersucht werden können. Sie testeten fast 7.000 MER11-Sequenzen aus Menschen und anderen Primaten in menschlichen Stammzellen und frühen Nervenzellen.

Die Ergebnisse zeigten, dass MER11_G4 verschiedene Transkriptionsfaktoren bindet, was darauf hindeutet, dass die Gruppe durch Sequenzveränderungen unterschiedliche regulatorische Funktionen erworben hat und zur Artbildung beiträgt, erklärt Hauptautor Dr. Xun Chen. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an spezifische DNA-Sequenzen binden und die Genexpression regulieren - sie fungieren als molekulare Schalter, die Gene ein- oder ausschalten.

Wenn wir klar kartieren können, welche Teile unseres Genoms spezifisch für Menschen oder Primaten sind und welche von Viren stammen, sind wir einen Schritt näher daran zu verstehen, was uns menschlich macht und wie unsere DNA Gesundheit und Krankheit beeinflusst.

Neue Perspektiven für die Genomforschung

Die Erkenntnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, genetische Mutationen im Zusammenhang mit Krebs und seltenen Krankheiten besser zu verstehen. Viele Krankheiten entstehen nicht nur durch Mutationen in Protein-codierenden Genen, sondern auch durch Störungen in regulatorischen Regionen. Wenn virale DNA-Sequenzen tatsächlich als Genregulatoren fungieren, könnten Mutationen in diesen Bereichen zu Krankheiten beitragen.

Unser Genom wurde schon vor langer Zeit sequenziert, aber die Funktion vieler seiner Teile bleibt unbekannt.

Tatsächlich codieren nur etwa zwei Prozent des menschlichen Genoms für Proteine, während der Rest lange als "Junk-DNA" bezeichnet wurde. Die neue Forschung zeigt jedoch, dass viele dieser scheinbar nutzlosen Bereiche wichtige regulatorische Funktionen haben könnten.

Die Entdeckung wirft ein neues Licht auf die Evolution unseres Genoms. Was denkt ihr über diese Erkenntnisse zur viralen DNA in unserem Erbgut? Teilt eure Gedanken in den Kommentaren.


Siehe auch: