Drosophila P-Transposons im Vertebratengenom

Ein beträchtlicher Teil sowohl des Vertebraten- als auch Invertebraten-Genoms besteht aus mobilen Elementen und deren Derivaten. So können mindestens 45% des menschlichen Genoms mobilen genetischen Elementen zugeordnet werden. Eine der am besten untersuchten Transposonsfamilien sind die P-Elemente von Drosophila, die in Drosophila melanogaster entdeckt wurden. Weiterführende Untersuchungen zeigten, daß P Transposons innerhalb der Diptera, und hier besonders innerhalb der Familie der Drosophilidae, weit verbreitet sind. Komplette P Elemente sind etwa 3 kb lang und bestehen aus vier Exons, drei Introns und nicht kodierenden terminalen Regionen, die von terminalen invertierten Repetitionseinheiten flankiert werden. Um mobil zu sein, benötigen sie eine P Element kodierte Transposase und zusätzliche, vom Wirtsorganismus kodierte Proteinfaktoren. Es galt als sicher, daß P-Elemente ausschließlich im Genom von Diptera vorhanden sind. Basierend auf Daten des menschlichen Genomprojektes identifizierten wir vor kurzem eine P-homologe Sequenz im menschlichen Genom. Das P Element homologe Gen, Phsa genannt, ist 12445 bp lang, besteht aus 3 Exons und zwei Introns, und kodiert ein 759 Aminosäuren langes Protein unbekannter Funktion. Da keine terminalen invertierten Repetitionseinheiten vorhanden sind und die Länge der Sequenz unüblich für ein DNA Transposon wäre, nehmen wir an, daß Phsa ein stationäres Gen ist. Zu Phsa und den P Elementen der Insekten homologe Sequenzen wurden bei der Suche in cDNA-Banken auch vom Rind (Bos taurus) und vom Huhn (Gallus gallus), und mit Hilfe von in unserem Labor durchgeführten molekularbiologischen Techniken auch in der Maus (Mus musculus) gefunden. Dies weist darauf hin, daß es sich um eine, auch in Vertebraten weit verbreitete Sequenz handelt. Im Zuge des geplanten Projektes sollen Struktur und Funktion P-homologer Sequenzen in verschiedenen Vertebraten (Mensch, Menschenaffen, Rind, Pferd, Hund, Huhn, Schlange, Frosch, Fisch) mittels molekularbiologischer (PCR , RT-PCR, 5`race und 3`race, Sequenzierung) und zellbiologischer ("whole-mount" in- situ-Hybridisierung, immunohisto-chemische Lokalisierung) Methoden untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden wesentlich zum Verständnis der Bedeutung mobiler Elemente für die Genomevolution beitragen.

Die P-Elemente von Drosophila gehören zu den DNA-Transposons und somit zu den so-genannten "springenden Genen". Sie wurden vor etwa 25 Jahren als Ursache eines Syndroms, das als "Hybrid-Dysgenese" bezeichnet und durch Transpositionsaktivität verursacht wird, entdeckt. 2001 fand unsere Forschungsgruppe P-Elemente in Vertebraten, was die 25-Jahre währende These P-Elemente würden ausschließlich in Dipteren vorkommen, umwarf. Dieser Befund stellte die Basis dieses Projektes dar, dessen Ziel es war, Evolution und Funktion P- homologer Sequenzen innerhalb des Vertebraten-Systems, zu untersuchen. Komplexe P-homologe Sequenzen konnten in fast allen untersuchten Arten gefunden werden. Ihre Sequenzdivergenzen stehen mit der Phylogenie der Arten, aus denen sie isoliert wurden, in Einklang, wie es bei einer auf Sexualität basierenden vertikalen Vererbung genetischen Materials zu erwarten ist. Im Gegensatz dazu gehört die horizontale Weitergabe zwischen sexuell isolierten Arten zum Lebenszyklus von P-Transposons im Drosophila-System. Die "single-copy" P-homologen Sequenzen des Menschen (Phsa) und des Huhns (Pgga) sind stabil, es fehlen ihnen die für Transposons notwendigen "terminale inverted repeats" (TIRs) sowie "target-site- duplications" (TSDs). Sie kodieren für ein funktionelles Protein mit einer N-terminalen DNA-bindenden Domäne (THAP-domain). Phsa wird in allen untersuchten Geweben exprimiert - das Protein hat offenbar eine wichtige noch ungeklärte biologische Funktion. Im Genom vom Zebrafisch hingegen gibt es mehrere P-homologe Sequenzen mit TIRs und TSDs. Um deren Sequenzanordnung zu deuten wird folgendes Modell angenommen: ihre Vorläufersequenz entstand durch Rekombination eines P-Element-homologen Gens mit einem Transposon, das den demio-Elementen angehört, womit es zu den für Transposons typischen TIRs gekommen ist. Um den Aufbau des vermutlich einzigen kodierenden P-Elementes im Zebrafisch-Genom zu deuten, ist es notwendig einen weiteren Schritt zu postulieren, während dem das von demio-Sequenzen flankierte P-homologe Gen in ein weiteres, den intern deletierten Pdre-Elementen angehörenden, DNA Transposon inserierte. Die "domestication hypothesis" betrachtet stationäre Transposon-homologe Sequenzen als degenerierte Transposons, während die "source gene hypothesis" davon ausgeht, daß aktive P-Transposons Abkömmlinge eines ursprünglich stabilen Gens sind. Entsprechend unseren Daten könnten beide Szenarien möglich sein: die aktive Vorläufersequenz der rezenten Zebrafisch-P-Elemente könnte sich entsprechend der "source gene hypothesis" entwickelt haben. Da Immobilisierung als Voraussetzung einer Domestizierung betrachtet werden kann, stützen gefundene immobile Kopien aber auch die "domestication hypothesis". Phsa and Pgga sind ortholog positioniert und favorisieren somit die "source gene hypothesis", sie können aber auch als Abkömmlinge eines ehemals aktiven P-Transposons, das vor der Aufspaltung von Säugern und Vögeln vor etwa 310 MY im gemeinsamen Vorfahren domestiziert wurde, interpretiert werden.