Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass evolutionäre Veränderungen in DNA-Abschnitten, die die Genaktivität steuern, maßgeblich zur Entstehung morphologischer Vielfalt beitragen. Eine zentrale Rolle spielen dabei sogenannte Enhancer: Diese regulatorischen Elemente wirken wie genetische Schalter und legen fest, wann, wo und in welcher Stärke Gene aktiviert werden. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Veränderungen in diesen genetischen Schaltern die Gestalt eines Organismus verändern können. Doch welche konkreten Änderungen im Erbgut tatsächlich neue Muster der Genaktivität entstehen lassen und nach welchem Mechanismus sie funktionieren, ist bislang weitgehend ungeklärt.
Am Beispiel der Kreuzblütlerpflanze Cardamine hirsuta – einem nahen Verwandten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana – konnten Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung nun zeigen, wie die Evolution solcher Enhancer zur Vielfalt der Blattformen innerhalb dieser Pflanzenfamilie beigetragen hat.
Mithilfe der Genomeditierungsmethode CRISPR/Cas9 erzeugte das Forschungsteam 17 unterschiedliche Varianten von Enhancern, die die Aktivität des Homeobox-Gens RCO (REDUCED COMPLEXITY) sowie seines verwandten Gens LMI1 steuern, aus dem RCO durch eine Genduplikation hervorgegangen ist. Dabei stießen die Forschenden auf eine hemmende DNA-Sequenz, deren evolutionäre Veränderung zu einer neuen Regulations-Domäne für das RCO Gen führte – anders als bei dem verwandten LMI1 Gen. Dieses neu entstandene Muster der Genaktivität führte schließlich zur Ausbildung deutlich komplexerer Blattformen in Cardamine Arten bei.
“Frühere Studien – etwa an den Flügeln von Fliegen – haben vor allem untersucht, wie das Hinzukommen aktivierender DNA-Sequenzen zur Entstehung neuer Merkmale beitragen kann“, sagte Alessandro Popoli, Erstautor der Studie. „Unsere Arbeit zeigt jedoch, dass auch hemmende Elemente eine ebenso wichtige Rolle bei der evolutionären Vielfalt spielen. Hemmung oder ‘Repression’ wird häufig lediglich als Abschalten von Genen verstanden. In diesem Fall erweist sie sich jedoch als kreative Kraft: Sie ermöglicht neue Muster der Genaktivität und trägt so letztlich zur Entstehung neuer Formen bei.“
Das Team entdeckte außerdem, dass diese repressive Sequenz durch eine Duplikation innerhalb des RCO-Enhancers entstanden ist. Der RCO-Enhancer ist wiederum Teil eines größeren Genduplikationsereignisses. Dieser Mechanismus der „Duplikation innerhalb einer Duplikation” veranschaulicht, wie verschachtelte Sequenzduplikationen regulatorische und morphologische Innovationen vorantreiben können. Darüber hinaus stellten die Forschenden fest, dass die RCO-Genexpression robuster gegenüber Mutationen ist als ihr ursprüngliches Gegenstück LMI1. Dadurch konnte sich dieses neuartige Expressionsmuster im Laufe der Evolution möglicherweise stabilisieren.
„Diese Ergebnisse unterstreichen das kreative Potenzial hemmender regulatorischer Elemente und liefern ein wichtiges Beispiel dafür, wie Veränderungen in Enhancern zu neuen Prozessen in der Entwicklung führen kann“, sagte Miltos Tsiantis, Leiter der Studie und Direktor am MPIPZ. „Dies ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie bereits kleine Veränderungen in der DNA zur Formenvielfalt von Organismen beitragen können.”
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
Originalpublikation:
A. Popoli et al.: Evolution of repressive sequences within an enhancer contributed to morphological diversity in crucifer plants, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (51) e2515732122, https://doi.org/10.1073/pnas.2515732122 (2025).
