Die Veränderung der Chromosomenzahl eines Tieres kann im Laufe der Evolution in der Natur Millionen von Generationen dauern – und jetzt konnten Wissenschaftler dieselben Veränderungen in Labormäusen in einem relativen Augenblick vornehmen.
Die neue Technik, die Stammzellen und Genbearbeitung verwendet, ist eine große Errungenschaft, und das Team hofft, dass sie mehr darüber enthüllen wird, wie die Neuanordnung von Chromosomen die Art und Weise beeinflussen kann, wie sich Tiere im Laufe der Zeit entwickeln.
In den Chromosomen – diesen Protein- und DNA-Strängen in den Zellen – finden wir unsere Gene, die von unseren Eltern geerbt und miteinander vermischt wurden, um uns zu dem zu machen, was wir sind.
Bei Säugetieren wie Mäusen und uns Menschen kommen Chromosomen typischerweise paarweise vor. Es gibt Ausnahmen, etwa in Geschlechtszellen.
Unbefruchtete embryonale Stammzellen sind normalerweise der beste Ausgangspunkt, um an DNA herumzubasteln. Das Fehlen dieses zusätzlichen Chromosomensatzes, der von einer Samenzelle bereitgestellt wird, beraubt die Zellen jedoch eines wichtigen Schritts bei der Aushandlung, welche Gene in welchen Chromosomen als aktiv markiert werden, um die Aufgabe des Körperaufbaus zu erfüllen.
Dieser Prozess – Prägung genannt – war ein Stolperstein für Ingenieure, die daran interessiert waren, große Teile des Genoms umzustrukturieren.
„Die genomische Prägung geht häufig verloren, was bedeutet, dass die Information darüber, welche Gene aktiv sein sollten, in haploiden embryonalen Stammzellen verschwindet, was ihre Pluripotenz und Gentechnik einschränkt“, sagt der Biologe Li-Bin Wang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
„Wir haben kürzlich entdeckt, dass wir durch das Löschen von drei geprägten Regionen ein stabiles spermienähnliches Prägungsmuster in den Zellen etablieren konnten.“
Ohne diese drei natürlich geprägten Regionen war eine dauerhafte Chromosomenfusion möglich. In ihren Experimenten fusionierten die Forscher zwei mittelgroße Chromosomen (4 und 5) und die beiden größten Chromosomen (1 und 2) in zwei unterschiedlichen Orientierungen, was zu drei unterschiedlichen Anordnungen führte.
Die Verschmelzung der Chromosomen 4 und 5 war im Hinblick auf die Weitergabe des genetischen Codes an die Mäusenachkommen am erfolgreichsten, obwohl die Zucht langsamer als normal war.
Eine der 1- und 2-Fusionen brachte keine Mäusenachkommen hervor, während die andere Mäusenachkommen hervorbrachte, die langsamer, größer und ängstlicher waren als die aus der Fusion der Chromosomen 4 und 5.
Den Forschern zufolge ist der Rückgang der Fruchtbarkeit darauf zurückzuführen, wie sich die Chromosomen nach der Ausrichtung trennen, was auf normale Weise nicht geschieht. Es zeigt, dass die chromosomale Umordnung entscheidend für die reproduktive Isolation ist – ein Schlüsselelement dafür, dass Arten sich entwickeln und getrennt bleiben können.
„Die Laborhausmaus hat nach mehr als 100 Jahren künstlicher Züchtung einen Standardkaryotyp mit 40 Chromosomen – oder das vollständige Bild der Chromosomen eines Organismus – beibehalten“, sagt der Biologe Zhi-Kun Li, ebenfalls von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
„Über längere Zeiträume hinweg sind Karyotypveränderungen, die durch Chromosomenumlagerungen verursacht werden, jedoch häufig. Nagetiere haben 3,2 bis 3,5 Umlagerungen pro Million Jahre, während Primaten 1,6 haben.“
Um dies in einen Kontext zu stellen, haben seltene Sprünge in der Chromosomenneuanordnung dazu beigetragen, die Evolutionspfade unserer eigenen Vorfahren zu lenken. Chromosomen, die zum Beispiel bei Gorillas getrennt bleiben, werden in unserem menschlichen Genom zu einem verschmolzen.
Diese Arten von Veränderungen können einmal alle paar hundert Jahrtausende auftreten. Während die genetischen Veränderungen, die hier im Labor vorgenommen wurden, in relativ geringem Umfang stattfanden, deuten die Anzeichen darauf hin, dass sie einige dramatische Auswirkungen auf die beteiligten Tiere haben könnten.
Es steckt noch in den Kinderschuhen – dies ist immerhin eine wissenschaftliche Premiere – aber später könnte es die Möglichkeit geben, falsch ausgerichtete oder missgebildete Chromosomen in menschlichen Blutlinien zu korrigieren. Wir wissen, dass Chromosomenfusionen und -verschiebungen bei Einzelpersonen zu Gesundheitsproblemen einschließlich Leukämie im Kindesalter führen können.
„Wir haben experimentell gezeigt, dass das Ereignis der chromosomalen Umlagerung die treibende Kraft hinter der Artenevolution und wichtig für die reproduktive Isolierung ist, was einen potenziellen Weg für die groß angelegte Manipulation von DNA in Säugetieren bietet“, sagt Li.
Die Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaft.