Erster Nachweis der Dosiskompensation im Pflanzenreich

X- und Y-Chromosomen bestimmen nicht nur das Geschlecht vieler Tierarten. Auch im Pflanzenreich wurden Geschlechtschromosomen erfunden. In der Lichtnelke lieferten Wissenschaftler den bisher jüngsten und ersten Nachweis, dass Pflanzen die ungleiche Chromosomenverteilung in Männchen und Weibchen durch Dosiskompensation ausgleichen.

Schon zu einem frühen Zeitpunkt der Evolution entstanden in vielen Organismen zwei getrennte Geschlechter. Im Menschen beispielsweise, begann vor 150 Millionen Jahren das Chromosom eines X-Chromosomenpaares zu degenerieren. Aus ihm wurde das männliche Y-Chromosom, das bis heute etwa 97% seiner Gene verloren hat. Mutationen brachten dem Y-Chromosom dafür neue Gene ein. Diese Y-Chromosom-gekoppelten Gene machen den Mensch zum Mann.

Die Natur kompensiert das degenerierte Y-Chromosom der Männchen

Der Genverlust des Y-Chromosoms stellt die Natur jedoch vor neue Probleme. Während Weibchen das X-Chromosom in doppelter Ausführung tragen, besitzt das männliche Geschlecht in vielen Tierarten nur noch eine Kopie des X-Chromosoms. Um den Genverlust der Männer zu kompensieren, bedient sich die Natur eines Tricks: In Säugetieren wird eines der X-Chromosomen vom weiblichen Körper abgeschaltet. Dieser Schritt, der wissenschaftlich als Dosiskompensation bezeichnet wird, vollendet nach Meinung der Wissenschaft auch die Evolution geschlechtsspezifischer Chromosomen.

Die Überprüfung der Evolution von Geschlechtschromosomen hat sich bisher jedoch als knifflig erwiesen. In den meisten Tierarten sind diese Chromosomen bereits vor über 100 Millionen Jahren entstanden. Nach diesem langen Zeitraum lassen sich Evolutionsspuren nur noch lückenhaft nachweisen.

Die Evolution der Geschlechtschromsomen ist noch immer im Gange

Seit langem sind Wissenschaftler daher auf der Suche nach geeigneten Studienobjekten mit jungen Geschlechtschromosomen. In der weißen Lichtnelke Silene latifolia, die zahlreich auf deutschen Sommerwiesen wächst, wurden sie fündig. Bei der gentrenntgeschlechtlichen Pflanze sind weibliche und männliche Blüten auf unterschiedlichen Individuen zu finden. Wie beim Menschen wird das Geschlecht der Lichtnelke ebenfalls von einem sogenannten X-Y-System bestimmt. Die männlichen Pflanzen tragen das X-Y-Geschlechtschromosomenpaar, während das weibliche Genom zwei X-Chromosomen trägt.

Im Gegensatz zum Menschen sind die Geschlechtschromosomen dieser Pflanzen jedoch erst vor etwa 10 Millionen Jahren entstanden und – so zeigt die aktuelle Studie- ihre Evolution ist noch nicht abgeschlossen.

Lichtnelken kompensieren wie Fliegen

Um die Entwicklung der X- und Y-Chromsomen in der Lichtnelke genauer zu untersuchen, identifizierten die Forscher zunächst 1700 X- und Y-Chromosome-spezifische Gene. Mit deren Genaktivitätsmustern entdeckten die Wissenschaftler, dass männliche Y-Gene deutlich schwächer abgelesen werden, als die des männlichen X-Chromosoms. Für die Forscher ist das ein Hinweis darauf, dass das Y-Chromosom auch weiterhin in den männlichen Pflanzen degeneriert.

Darüber hinaus zeigte sich: Je schwächer die Genaktivität des Y-Chromosoms, desto stärker liest die Pflanze das X-Chromosom der männlichen Pflanzen ab. Verglichen die Wissenschaftler die beiden Geschlechter, sahen sie jedoch keinen Unterschied bei der Genaktivität der X-chromosomalen Gene.

Lichtnelken sind also in der Lage, die geschwächte Genaktivität des Y und die fehlende X-Kopie der männlichen Pflanzen auszugleichen.  Anders als Säugetiere regulieren sie dabei die genetische Aktivität des männlichen X-Chromosoms hoch, anstatt eines der weiblichen Chromosomen stillzulegen. Auf genau diese Weise gleicht auch die Fruchtfliege Drosophila die ungleiche Genverteilung der Geschlechter aus.

Der bisher jüngste Nachweis ausbalancierter Genaktivität

Die Lichtnelken-Studie liefert den ersten Nachweis der Dosiskompensation im Pflanzenreich. Bisher wusste man nur, dass Tiere auf diese Weise eine ungleiche Chromosomenverteilung ausgleichen können. Dosiskompensation spielt auch bei der fehlerhaften Aufteilung von Chromosomen eine Rolle, wie sie bei einigen Krankheiten des Menschen auftreten. Dies kann  beispielsweise dazu führen, dass Männer zusätzliche X-Chromosomen erhalten, die nicht vollständig inaktiviert werden. Die Überproduktion bestimmter Genprodukte führt in diesem Fall zum charakteristischen Krankheitsbild des sogenannten Klinefelter-Syndroms.

Mit einem Alter von 10 Millionen Jahren ist S. latifolia das bisher jüngste Beispiel ausbalancierter Genaktivität. Die Wissenschaftler wollen das Pflanzensystem zukünftig nutzen, um die entscheidenden Entwicklungsschritte aufzuklären, die zur Entstehung von Geschlechtschromosomen in Organismen führten.