Lange galten sie als genetischer Ballast, als parasitäre DNA oder schlicht als Teil der "Junk-DNA". Heute zeichnet sich ein völlig anderes Bild ab: Die sogenannten springenden Gene – in der Fachsprache Transposons oder transponierbare Elemente genannt – gehören zu den wichtigsten Motoren der Evolution. Sie haben das Erbgut von Pflanzen, Tieren und Menschen geprägt, neue biologische Funktionen hervorgebracht und möglicherweise sogar zur Entstehung komplexer Merkmale wie des Immunsystems oder der Plazenta beigetragen.

Nun liefert eine Forschungsgruppe am Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ein weiteres neues, überraschendes Kapitel dieser Geschichte. Das Team um Julius Brennecke konnte zeigen, dass bestimmte springende Gene nicht auf die Zelle beschränkt bleiben, in der sie aktiv werden.

Stattdessen können sie von einer Zelle in eine andere wandern – ähnlich wie Viren. Diese spektakuläre Entdeckung, die am Mittwoch im renommierten Fachblatt Cell veröffentlicht wurde, verwischt dabei aber die bisher scharf gezogene Grenze zwischen genetischen Parasiten und Krankheitserregern.

Eine spät gewürdigte Pionierin

Die Geschichte der springenden Gene begann bereits in den 1940er-Jahren. Die US-Genetikerin Barbara McClintock (1901–1991) untersuchte Maispflanzen mit gesprenkelten Körnern und entdeckte dabei DNA-Abschnitte, die ihre Position im Genom verändern konnten. Wenn sie in ein Pigmentgen sprangen, änderte sich die Farbe einzelner Zellen. Verließen sie das Gen wieder, kehrte die ursprüngliche Färbung zurück.

Die Vorstellung, Gene könnten ihren Platz wechseln, widersprach damals den Grundannahmen der Genetik. McClintocks Ergebnisse wurden vor rund 80 Jahren zunächst sehr skeptisch aufgenommen. Erst Jahrzehnte später erkannte die Fachwelt ihre Bedeutung. 1983 erhielt sie dafür den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin – und zwar ungeteilt.

Eine Frau mit runden Brillen sitzt an einem Schreibtisch und schreibt, neben ihr ein Mikroskop.
Barbara McClintock, hier 1947 in ihrem Labor in Cold Spring Harbor.

Heute weiß man, dass springende Gene praktisch überall in der Erbsubstanz vorkommen. Fast die Hälfte unseres Genoms besteht aus solchen mobilen DNA-Sequenzen. Sie können sich aus einem Chromosom ausschneiden und an anderer Stelle wieder einfügen oder sich über eine RNA-Zwischenstufe vervielfältigen und neue Kopien erzeugen. Über Jahrmillionen haben sie sich dadurch im Erbgut angesammelt.

Manche springenden Gene bewegen sich als DNA-Moleküle nach dem Prinzip "Ausschneiden und Einfügen", andere vermehren sich über RNA-Kopien und hinterlassen immer neue Abschriften ihrer selbst im Genom. Besonders letztere, die sogenannten Retrotransposons, haben das menschliche Erbgut massiv geprägt.

Verwandte der Viren

Schon lange vermuteten Forschende eine enge Beziehung zwischen Transposons und Viren. Retroviren wie HIV nutzen einen sehr ähnlichen Mechanismus: Sie schreiben ihre RNA in DNA um und integrieren diese in das Erbgut der Wirtszelle. Tatsächlich bestehen rund acht Prozent des menschlichen Genoms aus Überresten uralter Virusinfektionen. Viele Fachleute rätseln deshalb, ob bestimmte Viren aus springenden Genen hervorgegangen sind oder umgekehrt.

Die neue Wiener Studie liefert dieser Debatte nun neue Nahrung. Das Team um Julius Brennecke untersuchte Fruchtfliegen und entdeckte, dass bestimmte Retrotransposons aktiv von Nachbarzellen in die heranreifende Eizelle transportiert werden. Damit verschaffen sie sich einen direkten Zugang zur nächsten Generation. Bislang war man davon ausgegangen, dass springende Gene zwar innerhalb eines Genoms mobil sind, aber nicht selbstständig zwischen Zellen wechseln können.

Das Protein sORF2

Möglich wird dies durch ein kleines Protein namens sORF2 (begriffliche Ähnlichkeiten mit einem österreichischen Fernsehprogramm sind zufällig und unbeabsichtigt). Es veranlasst die betroffenen Zellen dazu, fingerartige Ausstülpungen auszubilden, die Kontakt zur Eizelle herstellen. Anschließend verschmelzen die Zellmembranen teilweise miteinander, sodass die Partikel der springenden Gene ihren genetischen Inhalt direkt in die Eizelle einschleusen können (siehe Grafik oben, wo die kleinen Eiweißstoffe türkis dargestellt sind).

"Transposable Elemente werden normalerweise durch die zelleigenen Abwehrsysteme stillgelegt", erklärt Erstautorin Maya Voichek vom IMBA. Die Forschenden entwickelten Methoden, diese Schutzmechanismen gezielt auszuschalten und die normalerweise ruhenden Elemente wieder aktiv werden zu lassen. Erst dadurch ließ sich der Prozess unter dem Mikroskop beobachten.

Für die springenden Gene ist der Eintritt in die Eizelle eine Art "evolutionärer Jackpot". Gelangen sie dorthin, können sie an die Nachkommen weitergegeben werden und sich über Generationen hinweg erhalten. Für die Fruchtfliegen hat das allerdings einen Preis: Werden die Elemente experimentell aktiviert, sinkt die Schlupfrate der Eier drastisch.

Genetische Störenfriede

Dass springende Gene wichtige evolutionäre Innovationen hervorbringen können, haben zahlreiche Studien der vergangenen Jahre gezeigt. Ein berühmtes Beispiel stammt von den Birkenspannern in England. Während der Industriellen Revolution verbreitete sich eine schwarze Variante des Falters, die auf rußgeschwärzten Baumstämmen besser getarnt war. Erst 2016 zeigte sich, dass ein springendes Gen in ein Entwicklungsgen eingebaut worden war und die dunkle Färbung ausgelöst hatte.

Transposons können aber weit mehr als nur einzelne Merkmale verändern. Sie haben offenbar zur Evolution neuer Regulationsnetzwerke beigetragen, die Aktivität von Genen gesteuert und möglicherweise sogar die Entstehung zentraler Merkmale der Wirbeltiere ermöglicht. Manche Forschende vermuten, dass die epigenetischen Mechanismen, mit denen Zellen Gene an- und abschalten, ursprünglich entstanden sind, um die Aktivität dieser genetischen Eindringlinge unter Kontrolle zu bringen.

Wo endet ein Virus?

Besonders bemerkenswert ist, dass sORF2-ähnliche Proteine nicht nur bei Insekten vorkommen, sondern auch in manchen Viren von Fischen und Vögeln gefunden wurden. Im Labor zeigte sich, dass diese Viren mithilfe derselben Strategie Zellfusionen auslösen können. Offenbar handelt es sich um einen weit verbreiteten Mechanismus, mit dem genetische Elemente ohne klassische Virushülle zwischen Zellen wechseln.

"Diese Entdeckung macht es deutlich schwieriger zu sagen, wo ein selbstsüchtiges Stück DNA endet und ein Virus beginnt", sagt Brennecke. Die springenden Gene verfügten über "virusähnliche Fähigkeiten" und könnten dadurch den Verlauf der Evolution nachhaltig beeinflussen. Die Entdeckung könnte aber auch praktisch anwendbar werden: Eventuell könnte man sORF2 nutzen, um Gene für Therapien und Forschungszwecke in Zellen zu transferieren.

Die neuen Ergebnisse aus Wien zeigen jedenfalls, dass sie springenden Gene nicht nur innerhalb von Genomen wandern, sondern unter Umständen auch zwischen Zellen – und damit eine weitere Eigenschaft besitzen, die man bislang vor allem Viren zugeschrieben hatte. Und sie machen deutlich, dass die mittlerweile 80-jährige Geschichte der Forschung an springenden Genen bringt immer noch neue Überraschungen birgt.