Retrotransposons blähen pflanzliche Genome auf

Transponsible Elemente (TEs) werden auch als „springende Elemente“ bezeichnet. Dabei springt eine Klasse von TEs, die Retrotransposons, gar nicht wirklich im Genom umher. Sie bilden Kopien, die sich wiederum im Genom integrieren. Pflanzengenome bestehen zu einem Großteil aus Retrotransposons. Diese zu kennen ist wichtig, wenn es darum geht, Genomsequenzen zu annotieren, d.h. sie zu interpretieren und ihnen eine Funktion zuzuordnen.

Retrotransposons, auch Retroelemente genannt, sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Struktur, der Funktion und der Evolution des Genoms. Sie sind eine Quelle der pflanzlichen Biodiversität. Je nachdem, ob die Retrotransposons an ihren Enden repetitive Sequenzen aufweisen, unterscheidet man zwischen LTR (long terminal repeat)-Retrotransposons und non-LTR-Retrotransposons. Beide Subklassen vermehren sich, indem sie ihre mRNA in eine DNA-Kopie umschreiben, die sie in andere Stellen des Genoms integrieren. So nehmen die Kopien eines Retrotransposons innerhalb eines Genoms stetig zu und mit ihnen die Größe des Wirts-Genoms. Vor allem pflanzliche Genome neigen dazu, zahlreiche Kopien von Retroelementen anzuhäufen. Im Mais beispielsweise machen LTR-Retrotransposons fast 75% des gesamten Genoms aus. Auch im Weizen- und Gerstegenom und in vielen anderen Pflanzengenomen kommen Retrotransposons in erheblichem Umfang vor. Damit sind Retrotransposons, neben Genomverdopplungen (Polyploidisierung), die Ursache für die enormen Größenunterschiede pflanzlicher Genome.

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„Pflanzen haben verschiedenen Mechanismen entwickelt, wie sie diese mobilen Sequenzen ruhig halten“, erklärt Prof. Dr. Thomas Schmidt vom Institut für Botanik der Technischen Universität in Dresden. Ansonsten könnten Pflanzen wegen der zahlreichen Retrotransposons und dem damit verbundenen mutagenen Potenzial in ihrem Genom überhaupt nicht überleben. Bei diesen Mechanismen handelt es sich entweder um epigenetische Prozesse, wie beispielsweise die Methylierung oder Heterochromatisierung bestimmter DNA-Abschnitte, oder auch um Deletionen und Mutationen in Retrotransposons, die zu ihrer Inaktivierung führen. Schmidt und seine Arbeitsgruppe nahmen eine ganz bestimmte Klasse der LTR-Retrotransposons unter die Lupe, nämlich nur diejenigen, die neben den üblichen Retroelement-typischen Genen auch ein zelluläres Gen integriert hatten. „Damit bestünde die Möglichkeit, dass die LTR-Retrotransposons zelluläre Informationen weiterverbreiten könnten“, so Schmidt. Dabei handele es sich aber meist nicht um ein komplettes, funktionelles Gen, sondern nur um ein Bruchstück davon. Untersuchten die Wissenschaftler diese Genbruchstücke innerhalb der LTR-Retrotransposons mit bioinformatischen Methoden auf mögliche Proteine, die in diesen Sequenzen kodiert sein könnten, stießen sie auffällig häufig auf eine Ähnlichkeit zu retroviralen Membranproteinen.

Eigentlich gibt es in Pflanzen keine Retroviren, da sie sich aufgrund der äußerst stabilen und undurchdringbaren Zellwand nicht weiterverbreiten können und deshalb nicht infektiös sind. In den LTR-Retrotransposons mit integriertem zellulärem Genabschnitt sehen die Forscher um Schmidt eine mögliche evolutionäre Zwischenstufe zwischen den LTR-Retrotransposons und den echten Retroviren. Die Arbeitsgruppe konnte außerdem zeigen, dass die zahlreichen LTR-Retrotransposons im Genom der Zuckerrübe (Beta vulgaris) miteinander stark rekombinieren, also einzelne Abschnitte einzelner Elemente untereinander ausgetauscht werden. So entstehen immer wieder neue Varianten, die sich erneut vermehren und das Genom wachsen lassen. „Gene sind Inseln im Meer von Retrotransposons und Transposons“, fassen Genomforscher diese Strukturen bildhaft zusammen. Und gerade bei Pflanzen sei es äußerst wichtig, die verschiedenen Retrotransposons und Transposons zu kennen. Denn nur so kann man bei den enorm zahlreichen pflanzlichen Genom-Sequenzdaten den einzelnen Sequenzbereichen eine Funktion und damit auch eine Bedeutung zuordnen. Die vorliegenden Arbeiten erfolgen im Verbundprojekt „AnnoBeet“, das gegenwärtig vom BMBF in der Förderinitiative "Pflanzenbiotechnologie für die Zukunft“ (PLANT 2030) gefördert wird und die Annotation des Zuckerrübengenoms zum Ziel hat.