Evolution im Zeitraffer

Ein direkter Gentransfer bringt Chloroplasten-DNA in den Zellkern. Dies zeigen Experimente mit Antibiotika resistenten Tabakpflanzen. Das Prinzip könnte die biologische Sicherheit von gentechnisch veränderten Pflanzen verbessern.

Chloroplasten, die grünen Solarkraftwerke der Pflanzenzelle, waren früher eigenständige Lebewesen. Vor etwa einer Milliarde Jahren wurden einzellige Cyanobakterien von größeren Zellen verschluckt und in diese integriert. Im Laufe der Zeit verloren die Organellen ihre Eigenständigkeit. Ein Großteil ihrer Erbinformation wanderte in den Zellkern der Wirtszelle ab. Da diese aus den gleichen vier Bausteinen aufgebaut ist wie die DNA von Pflanzen, konnte sie auch dort abgelesen werden. Wie die Chloroplastengene genau in den Zellkern gelangten, war bisher unklar. Zwei Mechanismen schienen möglich: der direkte Transport als DNA-Stücke vom Chloroplasten in den Zellkern oder der Transport als mRNA, die dann im Kern wieder in DNA übersetzt wurde. 

Für den Transfer der Gene in den Zellkern hat die Natur Millionen von Jahren gebraucht. Potsdamer Forschern gelang es nun, diesen evolutionären Prozess in Laborexperimenten mit Antibiotika resistenten Tabakpflanzen im Zeitraffer ablaufen zu lassen. Sie konnten zeigen, dass die Chloroplasten-DNA über einen direkten Gentransfer in den Zellkern gelangte und dort trotz Unterschieden in der genetischen Architektur korrekt abgelesen wird. 

Pflanzen unter Selektionsdruck

Für diesen Nachweis brauchten die Forscher ein raffiniertes Untersuchungsdesign, denn: Damit Gene als solche erkannt werden, gibt es spezielle DNA-Sequenzen (Promoter), die den Genen vorgelagert sind. Diese rekrutieren Proteine, welche die Abschrift der Gene leisten. Die Promoter aus Chloroplasten unterscheiden sich jedoch von denen im Zellkern. Werden sie von den Proteinen im Zellkern nicht als solche erkannt, werden sie bei der Transkription einfach überlesen. Die zweite Schwierigkeit bestand in der richtigen Verarbeitung der Gensequenz. Gene bestehen aus mehreren Modulen, die durch nichtkodierende DNA-Bereiche (Introns) voneinander getrennt sind. Da die Introns hinderlich für die Proteinsynthese sind, müssen sie aus der mRNA entfernt werden; ein Vorgang, der als Spleißen bezeichnet wird. Erst nach dieser Auslese kann ein korrektes Protein synthetisiert werden. Doch die mRNA wird im Zellkern anders verarbeitet als in den Chloroplasten. Chloroplasten-Introns wurden daher lange Zeit als eine unüberwindbare Hürde für das korrekte Ablesen von Chloroplastengenen im Zellkern betrachtet.

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Die Wissenschaftler vom Max Planck Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm schleusten in Tabakpflanzen Chloroplasten mit einem Antibiotikaresistenz-Gen ein, das an ein Chloroplasten-Intron gekoppelt wurde (Marker-Gen). Die Annahme: Wenn das Antibiotika-Gen exprimiert wird, die Tabakpflanzen also antibiotikaresistent sind, musste einerseits das Gen-Konstrukt vom Chloroplasten in den Zellkern gelangt und zweitens das Intron vor dem Ablesevorgang entfernt worden sein. Zunächst wurden die transformierten Pflanzen in antibiotikahaltigen Nährmedien auf ihre Resistenz überprüft. Die resistenten Pflanzen wurden vermehrt, die Samen danach einer DNA-Analyse unterzogen. 

Transfer gelungen

Und tatsächlich konnten die Forscher zeigen, dass bei allen antibiotikaresistenten Tabakpflanzen die Chloroplasten-DNA über einen direkten Gentransfer in den Zellkern gelangt war. Aus der genetischen Information der Gene wurden funktionsfähige Proteine synthetisiert. Die Introns wurden also im Zellkern erkannt und herausgeschnitten, wenn auch teilweise an anderen Stellen der DNA als es in den Chloroplasten der Fall gewesen wäre. Vermutlich helfen die Introns den Spleiß-Enzymen sogar, indem sie sich in stabile RNA-Strukturen falten und so die Enzyme an die richtigen Stellen dirigieren. Gleichzeitig scheint die RNA-Struktur die Ribosomen dabei zu unterstützen, den richtigen Startpunkt für die Proteinsynthese zu finden. 

Biologische Sicherheit durch „Gen-Container“

Die Studie zeigt, dass Chloroplasten-Introns keine Hürde für einen funktionalen Transfer von Chloroplastengenen in den Zellkern sein müssen. Der Einsatz gentechnisch veränderter Plastide ist zudem eine vielversprechende Technologie der Pflanzenbiotechnologie, die die biologische Sicherheit von transgenen Pflanzen weiter erhöht. So ermöglichen sogenannte „gene containment“-Verfahren über gentechnisch veränderte Chloroplasten-Gene das Einschleusen interessanter Eigenschaften in Pflanzen, ohne dass diese über den Pollen ausgekreuzt werden. Denn die meisten Nutzpflanzen, auch Tabakpflanzen, vererben die Plastiden-DNA nur mütterlicherseits über die Eizelle, d.h. nicht über den Pollen. Dieser enthält ausschließlich Kern-DNA. Gleichzeitig ist der Transfer der Chloroplasten-Gene in den Zellkern ein Mechanismus, der zumindest teilweise in der Lage sein könnte, die geplante Unfruchtbarkeit (confinement) als Sicherheitsmaßnahme gegen die Ausbreitung transgener Pflanzen abzulösen. Bevor Plastiden-Introns als mögliche Sicherheitsmaßnahme in der Pflanzenbiotechnologie eingesetzt werden können, muss jedoch ihr Einfluss auf die Genexpression im Zellkern genau untersucht werden.