Organellengene weit wichtiger als angenommen

Obwohl sie bei den meisten Genomstudien kaum Beachtung finden, haben Gene außerhalb des Zellkerns, in Mitochondrien und Chloroplasten, weit mehr Einfluss auf den Stoffwechsel einer Zelle als bisher angenommen. Die Ergebnisse einer aktuellen Studie an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana könnten auch auf andere Organismen, z.B. den menschlichen Stoffwechsel übertragbar sein.

Die große Mehrheit pflanzlicher und tierischer Gene befindet sich auf den Chromosomen, die wiederum im Zellkern lokalisiert sind. Einige Gene sind jedoch auch außerhalb des Zellkerns in bestimmten Zellorganellen zu finden. Dazu gehören die Mitochondrien, die auch als Zellkraftwerke bezeichnet werden, weil sie die Energie für die Zelle herstellen. Auch in den Chloroplasten, wo Pflanzen über die Photosynthese Zucker herstellen, sind Gene beheimatet. All diese Gene, die sich außerhalb des Zellkerns befinden, bilden das sogenannte Organellengenom.

Bisher kaum beachtet

Beim Versuch zu erklären, wie Genvariationen zu Unterschieden bei den Charakteristika von Pflanzen und Tieren führen, konzentrierten sich Genetiker bisher meist auf die Gene im Zellkern. Auch eine typische Genomsequenzierung beschränkt sich normalerweise auf diese Gene. Jüngere Studien legten jedoch die Vermutung nahe, dass Variationen im Organellengenom ebenso zu Unterschieden zwischen Individuen beitragen, wobei ihr relativer Anteil verglichen mit den Genen im Zellkern bisher nicht bekannt war.

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Gene in Organellen steuern Großteil des Stoffwechsels

Wissenschaftler haben nun erstmals in einer umfangreichen Analyse untersucht, wie Variationen im Organellengenom die Charakteristika bzw. den Phänotyp der Modellpflanze Arabidopsis thaliana verändern. Im Rahmen der Studie untersuchten die Forscher, inwiefern Variationen von jedem der etwa 13.000 Gene im Zellkern, die an metabolischen Prozessen beteiligt sein sollen, und der etwa 200 Gene in den Zellorganellen das Vorkommen von tausenden Stoffwechselprodukten innerhalb der Blattzellen von 316 verschiedenen Arabidopsis Pflanzen verändern. Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher reziproke Kreuzungspopulationen zweier Linien der Modellpflanze. Reziprok bedeutet, dass die Linien mal als Vater- und mal als Mutterpflanzen genutzt wurden. Da die Organellen fast ausschließlich durch die Eizellen, also die Mutter weitergegeben werden, konnte der Einfluss unterschiedlicher Populationen cytoplasmatischer DNA untersucht werden.

Dabei machten die Wissenschaftler eine überraschende Entdeckung: Unterschiede im Organellengenom waren an Konzentrationsänderungen von über 80 % der untersuchten Metaboliten beteiligt. Das entspricht etwa dem Anteil, den die weitaus zahlreicher vorkommenden Zellkerngene steuern. Wie kann das sein? „Organellengene unterstützten auch Gene im Zellkern, indem sie deren Effekte unterstützten. Die Kombination aus direktem und indirektem Einfluss erklärt, warum eine geringe Anzahl von Organellengenen einen unverhältnismäßigen Einfluss auf den Phänotyp hat“, schreiben die Studienautoren. Die Autoren gingen noch einen Schritt weiter, indem sie nicht nur die Populationen betrachteten, sondern auch den Einfluss der Organellen DNA auf den Stoffwechsel einzelner Pflanzen analysierten. Mit über 1.000 Markern war es möglich Bereiche mit einem großen Einfluss auf den Stoffwechsel herauszufiltern, womit eine Voraussetzung für ein detailliertes Verständnis und die gezielte züchterische Veränderung geschaffen wurde.

Die Wissenschaftler bewiesen, dass die Rolle des Organellengenoms bisher beträchtlich unterschätzt wurde. „Ähnliche Effekte könnten auch in tierischen und somit auch menschlichen Zellen auftreten“, sagt Studienleiter Prof. Dr. Daniel Kliebenstein. Chloroplasten besitzen Menschen und Tiere zwar nicht, wohl jedoch Mitochondrien. Genetiker sollten in Zukunft beide Genome in Betracht ziehen, wenn sie erforschen, wie Gene einen Phänotyp beeinflussen, so die Wissenschaftler.