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Springende Gene können von Zelle zu Zelle wechseln
Genetische Grenzgänger: Bestimmte Retrotransposons können bei Fruchtfliegen nicht nur im Erbgut springen, sondern auch direkt aus Nachbarzellen in die Eizelle gelangen. Ein kleines Membranprotein namens sORF2 lässt Zellen dafür fingerartige Fortsätze bilden und offenbar mit der Eizelle verschmelzen. Damit eröffnet sich den DNA-Parasiten ein direkter Weg in die nächste Generation.
Wien (Österreich). Transposons sind mobile DNA-Abschnitte, die ihre Position im Erbgut verändern oder neue Kopien von sich einbauen können. Retrotransposons vermehren sich dabei über eine RNA-Zwischenstufe. Anders als Retroviren bleiben die meisten dieser genetischen Elemente jedoch in der Zelle, in der sie aktiv sind.
Genau diese Grenze ist bei einer Gruppe von Retrotransposons offenbar durchlässig. Forscher am Institute of Molecular Biotechnology (IMBA) um Kirsten-André Senti haben an Fruchtfliegen gezeigt, dass die Elemente 412 und Stalker2 aus somatischen Follikelzellen des Eierstocks direkt in die heranreifende Eizelle gelangen können.
Um die normalerweise unterdrückten Retrotransposons sichtbar zu machen, schwächte das Team gezielt die PIWI/piRNA-Abwehr der Fruchtfliegen. Mit genetischen Verfahren, RNA-Nachweisen, Proteinmarkierungen und hochauflösender Mikroskopie verfolgten die Forscher anschließend RNA und Kapselproteine der Elemente im Eierstock. Beides sammelte sich zunächst an der dem Keimgewebe zugewandten Seite der Follikelzellen und tauchte später in der Eizelle auf.
„Transponierbare Elemente werden normalerweise durch die zelleigenen Abwehrsysteme stillgelegt. Wir haben Ansätze entwickelt, um dieses Abwehrsystem kontrolliert auszuschalten, sodass normalerweise ruhende transponierbare Elemente wieder aktiv werden und wir den Prozess unter dem Mikroskop beobachten konnten“, sagt Erstautorin Maya Voichek vom IMBA.
Für die genetischen Parasiten ist dieser Zellwechsel besonders folgenreich. Erreichen sie die Eizelle, können neue Kopien ihres Erbguts an die nächste Generation weitergegeben werden. Für die Fliegen ist die Reaktivierung dagegen belastend: In den Experimenten sank die Schlupfrate der Eier von rund 70 Prozent auf teils nur etwa zehn Prozent.
Entscheidend für den Transfer ist ein kleines, von den Retrotransposons selbst codiertes Membranprotein namens sORF2. Es sitzt an der Zellmembran und häuft sich gemeinsam mit den Kapseln der Retrotransposons in aktinreichen, fingerartigen Fortsätzen an, die in Richtung Eizelle wachsen. Die Membranen scheinen dort lokal zu verschmelzen, sodass die Partikel samt genetischem Material direkt in die Eizelle gelangen können.
Damit umgehen 412 und Stalker2 ein Problem, das Retroviren gewöhnlich mit einem Hüllprotein lösen. Die untersuchten Elemente besitzen kein solches Envelope-Protein. sORF2 ähnelt stattdessen kleinen Fusionsproteinen, wie sie von einigen nicht umhüllten Viren genutzt werden, und ermöglicht offenbar einen direkten Zell-zu-Zell-Transfer.
„Von diesen Viren war bisher nicht bekannt, dass sie Zellen überhaupt verschmelzen können. Unsere Untersuchungen im Labor haben aber gezeigt, dass sie es tun. Es sieht so aus, als sei sORF2 eine weit verbreitete alternative Infektionsstrategie für Viren und transponierbare Elemente, die zwischen Zellen wechseln müssen, aber kein Hüllprotein besitzen“, sagt Voichek.
Die Forscher fanden sORF2-ähnliche Proteine nicht nur bei Retrotransposons verschiedener Insekten. Verwandte Proteine kommen auch in Viren von Fischen und Vögeln vor. Laborversuche deuten darauf hin, dass diese Proteine ebenfalls Zellfusionen auslösen können. Das spricht dafür, dass diese Strategie weiter verbreitet ist als bei den untersuchten Fruchtfliegen.