Die Spuren negativer Selektion in Säugetiergenomen
BLOG: Die Sankore Schriften
Es gibt ja verschiedene Methoden den Einfluss negativer Selektion auf das Genom zu quantifizieren. Eine möchte ich heute vorstellen, sie beruht auf dem, aus der Mathematik bekannten, Prinzip des indirekten Beweises.
Punktmutationen: Synonym und Nicht-Synonym
Punktmutationen, die sich nicht auf die Aminosäuresequenz eines Proteins auswirken, bezeichnet man als synonyme Mutationen, weil das ursprüngliche und das mutierte Triplett für die gleiche Aminosäure codieren. Wird durch eine Punktmutation eine andere Aminosäure im Protein eingebaut, spricht man von einer nicht-synonymen Mutation. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Mutation synonym oder nicht-synonym ist, lässt sich leicht berechnen. Insgesamt gibt es 64 Basentripletts. In jeder der drei Positionen eines Tripletts sind drei Veränderungen möglich, sodass ein Triplett insgesamt neun Mutationen durchmachen kann. Multipliziert man die 64 Tripletts mit den neun möglichen Mutationen, so gelangt man zu insgesamt 576 möglichen Mutationen. Bei Betrachtung des genetischen Codes stellt man fest, dass 135 der möglichen 576 Mutationen (also etwa 23 Prozent) synonym sind, während es sich bei den übrigen 77 Prozent um nicht-synonyme Mutationen handelt. Ohne Eingriff der natürlichen Selektion würde das erwartete Verhältnis von nicht-synonymen zu synonymen Mutationen bei ungefähr 3:1 (77:23) liegen.
Der ω–Test
Um das Ausmaß der negativen Selektion quantitativ zu bestimmen, benutzen Evolutionsgenetiker den ω–Test, der das Verhältnis von nicht-synonymen (dN) zu synonymen Mutationen (dS) zeigt. Dazu schaut man sich am besten orthologe Gene an. Orthologe, wie die Genetiker sagen, sind homologe Gene die in verschiedenen Arten, die einen gemeinsamen Vorfahren haben, vorkommen und die gleiche Funktion haben z. B. das Maus-Hämoglobin und das menschliche Hämoglobin. Der gemeinsame Vorfahre von Mäusen und Menschen lebte vor ca. 75 Millionen Jahren, seitdem sollte also eine Menge in der Evolution proteincodierender Gene passiert sein und sich beim DNA-Sequenzvergleich der Orthologen von Maus und Mensch zeigen. Das haben Forscher bei proteincodierenden Genen getan und 15,350 Paare von Maus/Mensch-Orthologen, die mehr als 100 Codons besitzen, verglichen (1).
Der genomische Kontext
Um diese Untersuchung in einen genomischen Kontext zu stellen, zunächst einmal ein paar Fakten:
- Das menschliche Genom besteht aus 2,85 Milliarden Basenpaaren und besitzt ungefähr 20,500 proteincodierende Gene mit 34 Millionen Basenpaaren. Das sind 1,2% des Genoms.
- Das Mausgenom besteht aus 2,5 Milliarden Basenpaaren und besitzt ungefähr 26,800 proteincodierende Gene mit 31 Millionen Basenpaaren. Das sind 1,3% des Genoms.
- Die durchschnittliche Mutationsrate in Säugetiergenomen ist 2,2 x 10-9 pro Basenpaar pro Jahr (2). Das hieße also auf den Menschen übertragen 6 Punktmutationen pro Jahr.
- Das bedeutet, dass aufgrund des geringen Anteils am Gesamtgenom, Mutationen in proteincodierenden Genen viel seltener auftreten sollten als im Rest des Genoms.
Das nachfolgende Diagramm zeigt die Verteilung der ω (=dN/dS)–Werte.
Die Verteilung der ω–Werte bei Maus/Mensch-Orthologen die mehr als 100 Codons besitzen. Es wurden 15,350 proteincodierende Gene untersucht. dS und dN wurden durch die modifizierte Nei-Gojobori-Methode (3) bestimmt. Das Transition/Transversionsverhältnis war 2.
Die Evolution proteincodierender Gene
99,8% der Gene haben einen der ω–Wert kleiner als 1 und für 228 Gene ist ω = 0, dass bedeutet es gibt, keinen Unterschied in der Aminosäuresequenz von menschlichem Protein und Mausprotein. Zu dieser Gruppe hören hochkonservierte Proteine wie Histone, Ubiquitine, Elongationsfaktoren, Tubuline und ribosomale Proteine.
Im Gegensatz dazu gibt es nur 33 Gene, die einen ω–Wert ≥ 1 haben. Das sind Gene des Immunsystems (z. B. MHC-Gene), des reproduktiven Systems und Gene für Duftrezeptoren. Für die Mehrheit der Gene liegen die ω–Werte zwischen 0,05 und 0,4 und der durchschnittliche ω–Wert für den gesamten Satz der untersuchten Gene ist 0,21. Erinnert euch daran, dass ich anfangs sagte, ohne Selektion würde das Verhältnis von nicht-synonymen zu synonymen Mutation 3:1 sein, aber in Wirklichkeit ist das Verhältnis sogar 4,7: 1 zugunsten der synonymen Mutationen. Das heißt, dass die Selektion das durchschnittliche Aufkommen nicht-synonymer Mutationen in proteincodierenden Genen ungefähr um das 14,3-fache reduziert.
Geht man davon aus, dass die synonymen Mutationen evolutionär neutral sind (Vorsicht! Hier sollte man bedenken, dass es synonyme Mutationen gibt die sich auf die Genexpression auswirken und dort einen Selektionsvorteil bieten.), so zeigen die Ergebnisse, dass ungefähr 75-80% der nicht-synonymen Mutationen durch negative Selektion eliminiert werden. Offensichtlich bleibt durch den negativen Selektionsdruck also nur ein kleiner Bruchteil der nicht-synonymen Mutationen in proteincodierenden Genen über mehrere Generationen erhalten.
Weiterführende Literatur
[1] Masatoshi Nei, Yoshiyuki Suzuki and Masafumi Nozawa1 (2010) The Neutral Theory of Molecular Evolution in the Genomic Era Annu. Rev. Genomics Hum. Genet., 11, 265–289.
Weiterführende Links
How do we decide which genome to map next?
The National Center for Biotechnology Information (NCBI) Genome Database
Bildnachweis
Diagramm
Die Verteilung der ω –Werte bei Maus/Mensch-Orthologen die mehr als 100 Codons besitzen.
Es handelt sich um Figur 2 aus [1] (S.273).
