13.06.2022 - Centro de Regulacio Genòmica (CRG)

Chromatin entstand in alten Mikroben vor ein bis zwei Milliarden Jahren

Genomische und proteomische Analysen zeigen, dass die regulatorische Rolle des Chromatins eine eukaryotische Innovation ist

In fast jeder menschlichen Zelle muss die zwei Meter lange DNA in einen Zellkern passen, der nur 8 Millionstel Meter breit ist. Wie Wolle um eine Spule muss sich die DNA aufgrund der extremen Platzverhältnisse um Strukturproteine namens Histone wickeln. Diese gewundene genetische Architektur, das so genannte Chromatin, schützt die DNA vor Schäden und spielt eine Schlüsselrolle bei der Genregulation.

Histone kommen sowohl in Eukaryoten vor, d. h. in Lebewesen, die über einen spezialisierten Zellapparat wie Zellkerne und Mikrotubuli verfügen, als auch in Archaeen, einem anderen Zweig des Lebensbaums, der aus einzelligen Mikroben besteht, die prokaryotisch sind, d. h. keinen Zellkern haben.

In eukaryontischen Zellen werden Histone durch Enzyme modifiziert, die die genomische Landschaft kontinuierlich umgestalten, um die Genexpression und andere genomische Prozesse zu regulieren. Trotz dieser grundlegenden Rolle ist der genaue Ursprung des Chromatins noch immer ein Rätsel.

Forscher des Centre for Genomic Regulation (CRG) haben nun herausgefunden, dass sich die Speicherlösung der Natur erstmals in uralten Mikroben entwickelt hat, die vor ein bis zwei Milliarden Jahren auf der Erde lebten.

Um die Zeit zurückzudrehen, nutzten die Forscher Informationen, die in den Genomen moderner Organismen enthalten sind, und ordneten die Lebensformen nach der Entwicklung von Genen und Proteinen, die mit Chromatin verbunden sind. Sie untersuchten dreißig verschiedene Arten, die aus Wasserproben in Kanada und Frankreich stammen. Die Mikroben wurden mit Hilfe moderner Gensequenzierungstechnologien identifiziert, die die Identifizierung von Arten durch Filtern der DNA ermöglichen. Anschließend wurden sie im Labor gezüchtet, um eine Proteom- und Genomsequenzierung durchzuführen.

Die Forscher fanden heraus, dass Prokaryonten die für die Modifizierung von Histonen erforderliche Maschinerie fehlt, was darauf hindeutet, dass das archäische Chromatin damals eine grundlegende strukturelle Rolle gespielt haben könnte, aber nicht das Genom regulierte. Im Gegensatz dazu fanden die Forscher zahlreiche Belege für Proteine, die Histonmodifikationen lesen, schreiben und löschen, in frühen, divergierenden Eukaryontenlinien wie der Malawimonade Gefionella okellyi, der Ancyromonade Fabomonas tropica oder dem Discoban Naegleria gruberi, Mikroben, die bisher noch nicht untersucht worden waren.

"Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass die strukturellen und regulatorischen Funktionen des Chromatins so alt sind wie die Eukaryoten selbst. Diese Funktionen sind für das eukaryotische Leben unerlässlich - seit dem ersten Auftreten von Chromatin ist es in keiner Lebensform mehr verloren gegangen", sagt Dr. Xavier Grau-Bové, Post-Doc am CRG und Erstautor der Studie. "Wir sind jetzt dem Verständnis seines Ursprungs ein Stück näher gekommen, dank der Fähigkeit vergleichender Analysen, evolutionäre Ereignisse aufzudecken, die vor Milliarden von Jahren stattfanden".

Anhand der Sequenzdaten rekonstruierten die Forscher das Repertoire an Genen des letzten gemeinsamen eukaryotischen Vorfahren, der Zelle, aus der alle Eukaryoten hervorgegangen sind. Dieser lebende Organismus verfügte über Dutzende von histonverändernden Genen und lebte vor ein bis zwei Milliarden Jahren auf der Erde, die selbst auf 4,5 Milliarden Jahre geschätzt wird. Die Autoren der Studie stellen die Hypothese auf, dass sich das Chromatin in dieser Mikrobe als Ergebnis des Selektionsdrucks in der ursprünglichen Umgebung der Erde entwickelt hat.

Dr. Arnau Sebe-Pedrós, Forscher am CRG und Hauptautor der Studie, weist darauf hin, dass "Viren und transponierbare Elemente Genomparasiten sind, die regelmäßig die DNA von Einzellern angreifen. Dies könnte zu einem evolutionären Wettrüsten um den Schutz des Genoms geführt haben, was zur Entwicklung von Chromatin als Abwehrmechanismus in der Zelle führte, aus dem alles bekannte eukaryontische Leben auf der Erde hervorging. Später wurden diese Mechanismen in eine ausgeklügelte Genregulierung einbezogen, wie wir sie bei modernen Eukaryoten, insbesondere bei mehrzelligen Organismen, beobachten können".

Den Autoren der Studie zufolge könnten künftige Forschungsarbeiten die Entwicklung von histonmodifizierenden Enzymen in Asgardischen Archaeen untersuchen, Mikroben, die nach einer von nordischen Göttern bewohnten mythologischen Region benannt sind und oft als evolutionäres Sprungbrett zwischen Archaeen und Eukaryoten beschrieben werden. Die Forscher fanden Hinweise darauf, dass einige Arten von Asgard-Mikroben, wie Lokiarchaeota, Histone mit eukaryotenähnlichen Merkmalen aufweisen und das Ergebnis einer konvergenten Evolution sein könnten.

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