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Proteinmolekül

Weshalb die Evolution eine Einbahnstraße ist

Die Naturgeschichte ist unumkehrbar, lautet eine alte Regel der Evolutionsforschung. US-Biologen haben nun die Urversion eines Proteins rekonstruiert, die zeigt: Der Satz gilt offenbar auch für Moleküle.

Evolutionstheorie 23.09.2009

Die Geschichte eines Rezeptors

"Stellen Sie sich vor, Sie stellen ihr Schlafzimmer neu um. Als erstes verschieben Sie das Bett, dann geben Sie die Garderobe dorthin, wo vorher das Bett war. Wenn Sie nun entscheiden, das Bett zurückzustellen, können Sie das nicht tun - es sei denn, Sie Sie räumen wieder die Garderobe aus dem Weg."

Möbel sind an sich nicht das Hauptfach von Joseph Thornton. Er ist Genetiker an der University of Oregon und hat dementsprechend vor allem mit Molekülen zu tun. Aber Thorntons letzte, im Fachblatt "Nature" (Bd. 461, S. 515) publizierte Studie löst bei ihm eben Assoziationen zur Wohnraumgestaltung aus.

Davon abgesehen interessiert er sich für die Evolution von Rezeptormolekülen. Insbesondere jene des Glucocorticoid-Rezeptors, der eine ganze Reihe von Körperfunktionen beeinflusst, etwa Stressreaktionen, Immunsystem, Stoffwechsel und nicht zuletzt auch das Verhalten. Thornton hat nun mit einer Software die Evolution des Moleküls rekonstruiert, 400 Millionen Jahre gibt es den Rezeptor laut seinen Berechnungen schon, in seiner ursprünglichen Version konnte er unter anderem an das Hormon Aldosteron binden. Jetzt kann er das nicht mehr, dafür hat er eine besonders hohe Affinität zu einem anderen Hormon, nämlich Cortisol.

Künstliche Rückmutationen

Joe Thornton, Genetiker an der University of Oregon

University of Oregon

Genetiker Joseph Thornton ist überzeugt:
Die Naturgeschichte wiederholt sich nicht.

Um bei der Möbelmetapher zu bleiben: Wo früher ein Herd stand, steht jetzt ein Bett, aus der ehemaligen Wohnküche ist nun ein Schlafzimmer geworden. Die Mutationen, die für diesen Funktionswechsel notwendig waren, hatte Thornton mit seinem Team schnell ausfindig gemacht. Sieben sind es, eine Überraschung erlebten die Genetiker allerdings, als sie mittels protein engineering die sieben Mutationen rückgängig machten, um den anfänglichen Zustand des Moleküls wiederherzustellen.

"Wir hatten erwartet, dass wir einen Rezeptor mit vielen Bindungspartnern bekommen würden, aber stattdessen erhielten wir ein totes, völlig unfunktionales Protein." Was war geschehen? Thornton und seine Kollege hatten fünf "stille" Mutationen außer Acht gelassen, die für die grundsätzliche Architektur des Moleküls eigentlich irrelevant hätten sein sollen.

Die Garderobe steht im Weg

Doch das erwies sich als Irrtum: "Sie verhindern offenbar, dass das Protein seine alte Funktion wieder gewinnen kann", so Thornton. Das Ganze noch einmal in der Mobiliarsprache: Die Garderobe mag zwar aus einem Schlafzimmer kein Schlafzimmer machen (denn das Bett tut es). Aber wenn sie im Weg steht, um das Bett an seinen alten Platz zu schieben, verhindert sie unter Umständen die Rückkehr zur Wohnküche.

Nur: Im Prinzip können alle Erbänderungen zurückmutieren, egal ob sie nun spektakulär oder unscheinbar sind. Müsste das nicht auch hier gelten? Theoretisch ja, praktisch nein. Wie Thornton herausgefunden hat, kennt die Selektion zumindest in diesem Fall keinen Rückwärtsgang. Die unscheinbaren Mutationen haben nämlich die Affinität zum Cortisol Schritt für Schritt optimiert, aber in die Gegenrichtung, auf dem Pfad zum Aldosteron, tut sich gar nichts. Ob man nun zurückmutiert oder nicht - für die alte Aldosteron-Affinität ist das einerlei. Daher ist es extrem unwahrscheinlich, dass sich die Geschichte des Rezeptors irgendwann umkehren wird.

"Könnten wir die Evolution neu starten ..."

Evolutionary ratchet nennen Evolutionstheoretiker solche Einbahnstraßenphänomene heute. Der Begriff ist relativ jung, die Idee freilich ist deutlich älter. Der belgische Paläontologe Louis Dollo hat bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts postuliert, dass die Evolution keine Umkehr zulasse. Er hatte dabei vor allem Organe im Sinn, die im Lauf der Evolution verschwinden. Ein berühmtes Beispiel sind die Kiemen, die bei Säugetieren zwar noch in der Embryonalphase angelegt werden, aber bei erwachsenen Tier nicht mehr als Organ entstehen, obschon das für Wale durchaus praktisch wäre.

Ob dieser Zusammenhang nun Ausnahmen zulässt oder nicht, ist wohl auch Auslegungssache, sonst würden nicht die einen von der "Dollo'schen Regel" sprechen, andere hingegen vom "Dollo'schen Gesetz".

Thornton jedenfalls ist überzeugt: Die Naturgeschichte kann sich nicht wiederholen. "Wenn wir die Zeit zurückdrehen und die Evolution von neuem starten lassen könnten, würden andere Mutationen entstehen. Das würde neue historische Pfade erschließen und andere blockieren - inklusive jenem, der in unsere Gegenwart geführt hat."

Robert Czepel, science.ORF.at

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