Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis [Reprint 2021 ed.] 9783112499023, 9783112499016

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ISSN 0371-327X

SITZUNGSBERICHTE DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU L E I P Z I G Mathematisch-naturwissenschaftliche Band

BENNO

116 • Heft

Klasse 6

PARTHIER

DER BEITRAG DER MOLEKULARBIOLOGIE ZUR EVOLUTIONSERKENNTNIS

AKADEMIE-VERLAG • BERLIN 1983

ISSN 0371-327X SITZUNGSBERICHTE DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE D E R W I S S E N S C H A F T E N ZU L E I P Z I G Mathematisch-naturwissenschaftliche Band

BENNO

116 • Heft

Klasse 6

PARTHIER

DER BEITRAG DER MOLEKULARBIOLOGIE ZUR EVOLUTIONSERKENNTNIS Mit 19 Abbildungen und 5 Tabellen

AKADEMIE-VERLAG • BERLIN 1983

Vorgetragen in der Sitzung am 5. Februar 1982 Manuskript eingeliefert am 4. Mai 1982 Druckfertig erklärt am 10. November 1983

Erschienen im Akademie-Verlag, DDR -1086 Berlin, Leipziger Straße 3 — 4 © Akademie-Verlag Berlin 1983 Lizenznummer: 202 • 100/523/83 Printed in the German Democratic Republic Gesamtherstellung: V E B Druckhaus „Maxim Gorki", 7400 Altenburg L S V 1315 Bestellnummer: 763 232 0 (2027/1 !(>/(>) 00600

INHALT

1. 2. :i. 4.

Einleitung 5 Molekularbiologie und Evolutionsforschung 6 Hypothesen zum Ursprung der Eucyten 10 Nucleinsäurcn und Proteine als molekulare Sonden der Zellevolution . . 14 4.1. Cytochrom c 16 4.2. Transfer R N A 20 4.3. Ri bosomale R N A 24 5. Die komplizierte Stellung der Mitochondrien in der Zellevolution . . . . 3 1 (i. Mutationen, gespaltene und springende Gene 34 7. Zusammenfassende Sehlußbemerkungen . . 38 Literatur 39

SITZUNGSBERICHTE

DER

SÄCHSISCHEN

DER WISSENSCHAFTEN

ZU

AKADEMIE

LEIPZIG

B A N D 116 MATHEMATISCH-NATURWISSEN

SCHAFTLICH

AKADEMIE.VERLAG • BERLIN 1 9 8 2 - 1983

E

KLASSE

Lizenznummer: 202 • 100/523/83 Satz und D r u c k : V E B Druckhaus „Maxim G o r k i " , D D R - Altenburg Printed in the German Democratic Republic

INHALT

Heft I

Iii es, Werner: Studien zum 10 Abb., d a v o n 1 auf 1 T a f .

Heft 2

Sachsenweger. Rudolf: Augenunabhängige W a h r n e h m u n g s f o r m e n . 1983. 19 S.

Heft 3

Schöpf.

Heft 4

Renetin, Jän: M a t h e m a t i s c h e s Modell f ü r d a s W a c h s t u m von l a n d w i r t s c h a f t l i c h e n K u l t u r e n und seine V e r w e r t u n g in der q u a n t i t a t i v e n B e u r t e i l u n g des B e w ä s s e r u n g s e f f e k t e s auf die Steigerung der E r n t e e r t r ä g e . 1983. 3(5 S., 18 Abb., 3 T a b .

Heft 5

Dtische!.

H e f t (i

Purthier, Renno: Der B e i t r a g der Molekularbiologie zur E v o l u t i o n s e r k e n n t n i s . 1983. 41 S., 19 Abb., 5 T a b .

Heft 7

Watznauer. Adolf: Die Rolle des R a d o n s (Isotop 2 2 2 Rn) als U m w e l t f a k t o r - eine U b e r s i c h t . 1983. 34 S., 3 Abb. 4 T a b .

Huns-Georg:

Hans:

biologischen Alter. 1982. 27 S.,

optosensorische

Die (kriechen und die N a t u r . 1982. 6 2 S .

Neues über die Pupille. 1983. 30 S., 20 Abb.

1. Einleitung

Die phylogenetische Abstammung und Entwicklung der irdischen Lebewesen unter kausalen Gesichtspunkten zu verstehen, ist ein seit langem gehegter Wunsch denkenden und forschenden menschlichen Geistes. Können wir im verbleibenden Rest dieses J a h r h u n d e r t s noch mit einer überzeugenden Erklärung rechnen? Vieles spricht dafür, denn gegenwärtig tritt die Evolutionsbiologie aus ihrer bisher weitgehend spekulativen Phase in eine durch molekulare Datenfülle gestützte Denkrichtung ein. Verständlicherweise ist keine Evolutionstheorie direkt beweisbar. Vielmehr muß sie durch Indizienbefunde, durch extrapolierbare Vergleiche und durch Erfahrungstatsachen indirekt so stark gestützt werden, daß eine erdrückende Zahl von Indizien einen experimentellen Beweis ersetzt oder diesem doch sehr nahe kommt. Bisher ist die geniale Idee der biologischen Evolution von Charles D A R W I N , dessen 1 0 0 . Todestag sich am 1 9 . April 1 9 8 2 jährte, allen Erfahrungen und Vergleichen am besten gerecht geworden. Sie hat in den vergangenen 150 J a h r e n nicht n u r alle Versuche zu ihrer Widerlegung erfolgreich überstanden, sondern wurde durch neuere Entdeckungen erheblich gefestigt, die im wesentlichen von Molekularbiologen beigesteuert wurden. I n den letzten Dezennien ist das allgemeine Interesse an der Evolution nicht nur bei Biologen, Physikern, Chemikern u n d anderen Naturwissenschaftlern gewachsen, sondern hat auch im geisteswissenschaftlichen Bereich viele Anhänger gefunden. Neu ist dies zwar nicht, wenn man an die ebenso geistreichen wie spekulativen Gedanken erinnert, mit denen Philosophen seit A R I S T O T E L E S die Diskussionen zur Evolution des Kosmos, der Erde, aber auch, der Pflanzen und Tiere und schließlich des Menschen angeregt haben. Der Entwicklungsgedanke in der Biologie bekam jedoch erst festen Boden unter die Füße nach D A R W I N S Postulat, daß zwei verschiedene, voneinander unabhängig wirkende Bedingungen für die E n t s t e h u n g neuer Arten und damit f ü r die Evolution der Lebewesen verantwortlich seien — genetische Variabilität und umweltbedingte Selektion.

6

Benno Parthikr

2. Molekularbiologie und Evolutionsforschung Die heutige Situation könnte man als Revolution in der Erforschung der Evolution bezeichnen. Die Geschwindigkeit des Erkenntniszuwachses ist der exponentiellen Kinetik des Evolutionsprozesses selbst ebenbürtig —- natürlich in verschiedenen Zeitskalen. Bestätigt wird dies durch eine Lawine von Veröffentlichungen über Eiweiß- und Nucleinsäuresequenzen, weil diese Makromoleküle über Jahrmillionen dynamisch konserviert wurden, gewissermaßen „lebende Fossilien" darstellen. Viele Evolutionsforscher sind gelernte Molekularbiologen, weil in dieser Disziplin in den vergangenen 20 Jahren neue Methoden entwickelt und fundamentale Erkenntnisse über den molekularen Ablauf der Lebensvorgänge und über den Mechanismus der Vererbung gewonnen wurden; das aber sind Voraussetzungen für ein tieferes Evolutionsverständnis. Die Molekularbiologen haben herausgefunden, wie ein Genom, die Gesamtheit der Erbanlagen einer Zelle, organisiert und strukturell aufgebaut ist. Grundlage ist die doppelsträngige DNA-Spirale, in der 4 Arten je 2 komplementärer Basen (A und T, G und C) über sogenannte ,,Watson-Crick"-Wasserstoffbrücken gepaart sind (Abb. 1, A). Diese Anordnung gewährleistet eine identische Reduplikation des genetischen Materials. Wir kennen das „zentrale Geheimnis", wonach die Gene als strukturelle und funktionelle Einheiten aus doppelsträngiger DNA die in ihrer Basenfolge gespeicherte Information preisgeben. Nachdem Molekularbiologen die Gesetze des genetischen Codes enträtselt haben, wissen wir, daß diese Information zunächst in die BasenSequenzen von RNA umgeschrieben und daraus schließlich im Verhältnis 3 Basen : 1 Aminosäure in die Aminosäurefolgeri der Eiweiße übersetzt wird (Abb. 1, B), in Enzyme zum Beispiel, den unerläßlichen Katalysatoren aller Lebens Vorgänge. Die Entdeckung, daß der genetische Code universellen Charakter hat (doch vgl. Abweichungen im Mitochondrien-Code, Tab. 5), demnach in allen rezenten Lebewesen die Information der Gene nach den gleichen Gesetzen abgerufen wird, hat sich als besonderer Glücksumstand für den vergleichenden molekularen Aspekt in der Evolution erwiesen. Dadurch wird es möglich, molekulare Veränderungen des genetischen Materials, der DNA selbst oder ihrer primären und sekundären Genprodukte (RNA und Proteine), als Meßgrößen für phylogenetische Beziehungen und für Evolutionsraten zu benutzen. Zweifellos muß man von allen, dem Evolutionsgedanken Indizien liefernden Wissenschaftsdisziplinen der Sequenzanalyse von Genen oder unmittelbaren Genprodukten den wohl höchsten Stellenwert einräumen. Diese Makromoleküle sind heutzutage relativ leicht in großer Reinheit zu isolieren; die Zer-

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

3

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DNA

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ill il il II II III III III II Ii III III II III Ii III m I I

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Transcription 5'~ ~ m RNA

Translation

I I I I I I I I II I I I II II I I II GUAAUCCGAUCGACUCGUACC

TTTT

Protein

B

Abb. 1. Sehiïuibenstruktiir der doppelsträngigen DNA (A) und Übertragung der in der DNA-Basenfolge codierten genetischen Information über n i R X A in die Aminosäuren-Sequenz der Proteine ( B ) . Tn Ii ist der obere S t r a n g der eodogene; jeweils drei B a s e n ( O o d e - T r i p l e t t ) in I)X A bzw. n i R X A

bestimmen

eine Aminosäure im P r o t e i n . K F , kleine F u r c h e ; G F , große F u r c h e ; Z I ' , Z u e k e r p h o s p h a t - R e s t e . Aus NOYER und KEIXBOTHE ( 1 9 8 2 ) , wenig v e r ä n d e r t .

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BENNO PARTHIER

legungstechnik in ihre molekularen Bausteine ist automatisiert; den Rest besorgt ein Computer, der die Reihenfolgen und Homologien der Bausteine herausfindet, ihre intramolekularen Wechselbeziehungen aufzeigt und strukturelle Verwandtschaften errechnet. Vergleiche solcher Strukturen aus möglichst vielen rezenten Lebewesen oder deren Zellkompartimenten ermöglichen es, auf phylogenetische Beziehungen zu schließen, indem man die festgestellten Veränderungen der Baustein-Sequenzen in die Vergangenheit extrapoliert. Auf diese Weise erhält man Informationen über Gensequenzen, deren Träger bereits ausgestorben sein können. Die genannten Methoden sind so weit entwickelt, daß sie es gestatten, die wahrscheinliche Struktur eines ,,Ur-Gens" v o r z u s c h l a g e n ( E I G E N 1 9 8 0 , E I G E N & WINKLER-OSWATITSCH 1 9 8 1 ) .

Gleichzeitig nähren sequenzanalytische Erfolge die Hoffnung, daß wir zukünftig viel mehr über die molekularen Mechanismen der Evolution erfahren als DABWINS evolutionstreibende Begriffe Variabilität und Selektion auszusagen vermögen. Die neuen Entdeckungen über Mosaikgene und Transposons (vgl. Kap. 6), deren Existenz erst durch die Sequenzanalysen von Genen offenbar wurde, könnten vielleicht den Weg zu tieferem Evolutionsverständnis weisen. Was liegt daher näher, als die Frage nach dem molekularen Geschehen in der Evolution des Phänotyps mit der Erforschung der Struktur des Genotyps zu korrelieren, die stammesgeschichtliche Herkunft der Zelle durch Analyse ihrer Genome, Gene und Genprodukte zu ermitteln, um Vorgängen auf den Grund zu kommen, die zu der ungeheuren Vielfalt der Lebensformen auf unserem Erdball führten. Das sind die großen Themen molekularer Evolutionsforschung — ein ausufernder Strom, in dem nun eine thematische „Schwimmstrecke" abzustecken ist, um den vorgegebenen Rahmen nicht zu sprengen. In Tabelle 1 ist ein „Evolutionskalender" dargestellt, der vom „Urknall" vor 1,8 bis 2 X 1010 Jahren über kosmische, chemische, präbiotische und biologische Evolution bis zum Homo sapiens in seinen verschiedenen Verwirklichungsformen reicht. Wir wollen uns jedoch weder mit der Entstehung des Lebens als Selbstorganisation von Makromolekülen (EIGEN 1972, KVHN 1972) oder mit der Herausbildung der „Ur-Zelle" samt ,,Ur-Gen" und „UrCode" beschäftigen (vgl. hierzu EIGEN 1980), noch soll uns die Verästelung in den tierischen, pflanzlichen und pilzlichen Bereichen eines phylogenetischen Stammbaums (vgl. Abb. 2) mehr als notwendig interessieren. Unsere Betrachtungen betreffen viel mehr die „Wurzeln" des Baumes, die Evolution primitiver Urzellen zu prokaryotischen Zellen (Procyten) und insbesondere den Ursprung eukaryotischer Zellen (Eucyten). Diese Periode ist vor etwa 1,5 bis 3,5 Milliarden Jahren anzusetzen. Gerade die stammesgeschichtliche Betrachtung der eukaryotischen Zelle ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie durch vergleichende Sequenzana-

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis Tabelle 1 Skala der Evolutionsprozesse („Evolutionskalender") Evolutionsstufen

Jahre zurück

Ereignisse

Kosmische Evolution

2 • 1010

„Urknall" Atome, Moleküle; Galaxien, Sterne

10 10 Chemische Evolution

7 • 10 9

monomere polymere Verbindungen

Geologische Evolution Präbiotische Evolution

6 • 10 9 5 • 10 9

Erdkruste, Gebirge, Urozeane Aminosäuren, Basen, Polypeptide, Polynucleotide; Selbstorganisation, Koazervate

Zell-Evolution

4 •

109

3 • 10 9 Biologische Evolution

2 • 10 9

1Û9 10 8 107

Urzelle: Urgene, Urcode, Urmembran Prokaryoten: Blaualgen Bakterien Einzellige Eukaryoten (Protisten) Mehrzellige niedere Eukaryoten Höhere Eukaryoten: Pflanzen, Pilze Tiere Säugetiere

Menschen-Evolution

10«

Homo sapiens

Kulturell-gesellschaftliche Evolution

1()4

„Homo faber" „Homo politicus" usw.

lysen von h o m o l o g e n 1 M a k r o m o l e k ü l s t r u k t u r e n r e c h t eindeutig p h y l o g e n e t i sche V e r w a n d t s c h a f t s v e r h ä l t n i s s e aufgezeigt werden k o n n t e n . A n drei e x e m plarischen Species v o n M a k r o m o l e k ü l e n wird hierauf s p ä t e r (S. 1 6 f f . ) n ä h e r eingegangen. Z u v o r j e d o c h müssen in g e b o t e n e r K ü r z e die beiden Zell t y p e n u n d ihre U n t e r schiede vorgestellt werden, d e n n f ü r die E v o l u t i o n d e r E u c y t e n g i b t es zwei alternative Hypothesen. 1

Homolog werden nur solche Strukturen bezeichnet, die einem gemeinsamen Vorfahren entstammen. Ähnlichkeit an sich ist noch kein Beweis für Homologie.

10

BENNO

A b b . 2. Phylogenetischer

Stammbaum

PARTIIIER

der

Eukaryoten

basierend

auf

Sequenzx er-

gleichen v o n C y t o c h r o m c-Molekülen aus den angezeigten Spezies. Dir A b s t ä n d e z w i s c h e n V e r z w e i g u n g u n d E n d p u n k t e n

sind ein

kurzes Zweigstück

Abstände

bedeutet

hohe

Homologie,

längere

r e l a t i v e s .Mali d e r S e q u e n z h o m o l o g i e n . d . Ii. geringere

Homologie

in d e n

Aminosäure-

sequenzen. A u s EIGEN' ( 1 9 8 0 ) n a c h DICKKIISOX u n d ( ¡ E i s .

3. Hypothesen z u m U r s p r u n g (1er Eucyten

Die eukaryotisehe Zelle ( A b b . 3) ist im allgemeinen durch innere Membranen stark gegliedert. Sie k o m m t als Einzelzelle bei Protisten vor und ist in differenzierter und spezialisierter Form der Grundbaustein aller Tiere, P f l a n z e n und Pilze. Sie bewahrt ihre genetisehe I n f o r m a t i o n in einem gut durch eine Doppelmembran

erkennbaren,

abgetrennten Zellkern. .Dieser Z e l l t y j j enthält

weitere, durch Einzel- oder Doppelmembranen v o m übrigen Zellraum abgegrenzte K o m p a r t i m e n t e , die Organellen. Von diesen besitzen die Mitochondrien

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BENNO

A b b . 2. Phylogenetischer

Stammbaum

PARTIIIER

der

Eukaryoten

basierend

auf

Sequenzx er-

gleichen v o n C y t o c h r o m c-Molekülen aus den angezeigten Spezies. Dir A b s t ä n d e z w i s c h e n V e r z w e i g u n g u n d E n d p u n k t e n

sind ein

kurzes Zweigstück

Abstände

bedeutet

hohe

Homologie,

längere

r e l a t i v e s .Mali d e r S e q u e n z h o m o l o g i e n . d . Ii. geringere

Homologie

in d e n

Aminosäure-

sequenzen. A u s EIGEN' ( 1 9 8 0 ) n a c h DICKKIISOX u n d ( ¡ E i s .

3. Hypothesen z u m U r s p r u n g (1er Eucyten

Die eukaryotisehe Zelle ( A b b . 3) ist im allgemeinen durch innere Membranen stark gegliedert. Sie k o m m t als Einzelzelle bei Protisten vor und ist in differenzierter und spezialisierter Form der Grundbaustein aller Tiere, P f l a n z e n und Pilze. Sie bewahrt ihre genetisehe I n f o r m a t i o n in einem gut durch eine Doppelmembran

erkennbaren,

abgetrennten Zellkern. .Dieser Z e l l t y j j enthält

weitere, durch Einzel- oder Doppelmembranen v o m übrigen Zellraum abgegrenzte K o m p a r t i m e n t e , die Organellen. Von diesen besitzen die Mitochondrien

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

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und in Pflanzenzellen zusätzlich die Chloroplasten eigene, spezifische G e n o m e , deren D N A - I n f o r m a t i o n in organellen-eigene P r o t e i n e ü b e r s e t z t werden k a n n . S o l c h e zusätzlichen G e n o m e und die organellenspezifischen B e s t a n d t e i l e zur A u s p r ä g u n g der g e n e t i s c h e n I n f o r m a t i o n sind für unsere T h e m a t i k die wichtigsten Zeugen, uni phylogenetische B e z i e h u n g e n zwischen e u k a r y o t i s c h e n Zellen und den kleineren, in der R e g e l einzelligen P r o c y t e n ( E u b a k t e r i e n , Zellwand

..„„,,„„ Membran

C h l o r o p l a s t mit L a m e l l e n , ; \ u. Ribosomen

endoplasmat. Reticulum mit Ribosomen besetzt

DNA !., . . : Vakuo e

Kernmembran

Abb. 3. Idealisierte Querschnitte durch eine prokaryotische Zelle (oben) und durch eine eukaryotische Zelle (unten). Einzelheiten im Text. Aus KArlAX (1978).

12

BENNO P.ARTHI:ER

Cyanobakterien = Blaualgen) aufzuzeigen. Letztere besitzen um einige Zehnerpotenzen kleinere Genome, die nicht durch Membranen vom übrigen Zellraum abgegrenzt sind (Abb. 3). Derartige cytologische Unterschiede bewirkten, daß die Biologen bis vor wenigen Jahren die Organismenwelt in zwei große Reiche einteilten, in Prokaryoten und in Eukaryoten. Die Situation änderte sich, nachdem Nucleinsäure- und Zellwand-Analysen sogenannter Archaebakterien nahelegten, diese Einzeller als eigenständiges Reich zwischen die beiden bisher bestehenden e i n z u o r d n e n (WOESE u n d F o x 1977, DOOLITTLE 1980). A r c h a e b a k t e r i e n w e i s e n

molekulare, cytologische, genetische und biochemische Züge vom prokaryotischen und vom eukaryotischen Zelltypus auf. Als Bewohner ökologischer Nischen wird ihrer phylogenetischen Herkunft größtes Interesse entgegengebracht, so daß ihre Vertreter (Halobakterien, thermophile und methanogene Gattungen) schnell in die experimentelle Evolutionsforschung einbezogen w u r d e n (z. B . F o x e t al. 1977, WOESE e t al. 1978, KANDLEB 1981). A u f d i e s e n

interessanten Evolutionsaspekt kann hier nicht näher eingegangen werden. Grundlage für alle Hypothesen zur Eucyten-Herkunft ist die hundertfach gemachte Beobachtung, daß Gene und die an der Genexpression beteiligten Makromoleküle der Mitochondrien und Chloroplasten in Stuktur und Funktion prokaryotischer Natur und damit deutlich verschieden sind von denen im Kern und cytoplasmatischem Raum derselben eukaryotischen Zellen. Woher kommen diese Organellen, wie ist ihr Schicksal im Verlaufe der Evolution gewesen und folglich, wie entstanden die Eucyten? Auf diese Kernfrage kann man mit zwei prinzipiell verschiedenen Vorschlägen antworten: 1. Die eukaryotisch.cn Zellen sind direktlinige Abkömmlinge von altertümlichen prokaryotischen Zelltypen. Diese wurden über partielle Vervielfachung ihrer Genome sowie deren Abgrenzung durch Membranumhüllung zu Organellen. K o m m e n t a r : Somit könnten sieh die mitochondrienhaltigen Tier- und Pilz-Zellen von „ U r - B a k t e r i e n " u n d die chloroplastenhaltigen Pflanzenzellen aus „Ur-Blaualgen" ableiten. E s wird a priori angenommen, d a ß P r o k a r y o t e n den entwicklungsgesehichtlieh älteren Zelltyp darstellen (was allerdings nicht allgemein akzeptiert wird). E s ist jedoch schwer erklärlich, weshalb bestimmte Bereiche der Zellen (nämlich die Organellen) ihre ursprüngliche G e n o m k a p a z i t ä t nicht nur nicht v e r m e h r t e n , sondern sogar reduzierten. Denn sowohl Chloroplasten als auch Mitochondrien sind genetisch nicht a u t o n o m ; f ü r den A u f b a u ihrer funktionellen S t r u k t u r e n sind sie auf zusätzliche Genprodukte des Zellkerns angewiesen, auf Proteine, die aus dem Cytoplasma in die Organellen transportiert werden.

2. Die eukaryotischen Zellen entstanden als Fusionsprodukte aus zwei oder drei Protocyten; genauer, durch Inkorporation einer oder mehrer prokaryotischer Zellen (oder prokaryotischer Genome) in einen bereits genom-

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

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haltigen, anaerob lebenden Proto-(Eu)-Karyoten. I m Laufe der Evolution w u r d e n die E n d o s y m b i o n t e n zu Mitochondrien bzw. Chloroplasten u m gewandelt, wobei eine kontinuierliche R e d u k t i o n ihrer G e n o m e m i t der Ü b e r n a h m e der entsprechenden Gene durch den Zellkern der Wirtszelle einherging. K o m m e n t a r : Gegen solche A n n a h m e n wird eingewendet, d a ß eine G e n ü b e r t r a g u n g aus dem a u f g e n o m m e n e n S y m b i o n t e n in das Genom des W i r t e s Denkschwierigkeiten bereite. Viele B e o b a c h t u n g e n der letzten J a h r e u n d die Erfolge des „genetic engineeri n g " über Artgrenzen hinweg lassen allerdings einen Gentransfer zwischen K o m p a r t i m e n t e n einer Zelle d u r c h a u s möglich erscheinen. I m Gegensatz zur ersten Vorstellung sind die großen Ähnlichkeiten in G e n o m s t r u k t u r u n d Nucleinsäure-Sequenzen, die zwischen B a k t e r i e n u n d Blaualgen einerseits u n d Mitochondrien u n d Chloroplasten andererseits bestehen, zwanglos zu erklären. Gleiches gilt f ü r die unterschiedliche Z u s a m m e n s e t z u n g von Außen- u n d I n n e n m e m b r a n der Organellenhülle; die erste h a t Ähnlichkeiten m i t Zellmembranen von P r o c y t e n . Diese

beiden

grundsätzlich

verschiedenen

und

im

Mechanismus

s ä t z l i c h e n H y p o t h e s e n d e r E u c y t e n - E v o l u t i o n , e n d o g e n e versus

gegen-

exogene Her-

k u n f t ihrer Organellen, sind in A b b i l d u n g 4 skizziert. Sie w e r d e n a u c h als Prokaryoten

exogen:

Eukaryoten

endogen:

A b b . 4. Vereinfachte schematische Darstellung der beiden H y p o t h e s e n zur exogenen u n d endogenen H e r k u n f t der DNA-haltigen Organellen (Mitochondrien u n d Chloroplasten) in eukaryotischen Zellen. N, N u c l e u s ; O, Organelle; G T , G e u t r a n s f e r ; X , e x t r a n u c l e ä r e s genetisches E l e m e n t im f r ü h e n V o r l ä u f e r einer e u k a r y o t i s c h e n Zelle. Bei der exogenen ( E n d o s y m b i o n t e n - ) H y p o t h e s e wird eine p r o k a r y o t i s c h e Zelle einer bereits k e r n h a l t i g e n Zelle e i n v e r l e i b t ; hei den e n d o g e n e n H y p o t h e s e n e n t w i c k e l n sich Orgaiiellen a u s e n d o gen v o r h a n d e n e n genetischen E l e m e n t e n u n d endogener K o m p a r t i m e n t i e r u n g d u r c h M e m b r a n u m h ü l l u n g . Äußerlich ist der E n d z u s t a n d in beiden H y p o t h e s e n i d e n t i s c h : d u r c h D o p p e l i n e m b r a n e n a b g e g r e n z t e O r g a nellen m i t spezifischer D N A u n d eigenen G e n e x p r e s s i o n s s t r u k t u r e n . W e i t e r e E i n z e l h e i t e n im T e x t . - A u s PAKTHIER (1980).

14

ECH

BENNO PARTHIER

(Endogene Compartimentierung-Hypothese;

MAHLER u n d RAFF

1975)

u n d a l s E S H ( E n d o s y m b i o n t e n - H y p o t h e s e ; MAKGULIITS 1970) b e z e i c h n e t . V o n j e d e r d e r b e i d e n G r u n d v o r s t e l l u n g e n g i b t es z u s ä t z l i c h e V a r i a n t e n , auf die h i e r n i c h t e i n g e g a n g e n w e r d e n soll (vgl. d a z u PARTHIEB 1975, 1980, 1981; BÖRNER u n d H A G E M A N N 1 9 7 6 ; SCHWEMMLER 1 9 7 9 ) .

E s ist v e r s t ä n d l i c h , d a ß v e r g l e i c h e n d e S e q u e n z a n a l y s e n v o n G e n e n u n d G e n p r o d u k t i o n e n als w i l l k o m m e n e Z e u g e n f ü r die R i c h t i g k e i t d e r e i n e n o d e r d e r a n d e r e n E v o l u t i o n s h y p o t h e s e h e r a n g e z o g e n w e r d e n . Solche D a t e n lassen k l a r e r e A u s s a g e n für o d e r gegen eine d e r b e i d e n H y p o t h e s e n e r w a r t e n als die bisherigen, auf p a l ä o n t o l o g i s c h e n o d e r m o r p h o l o g i s c h e n S t u d i e n b e r u h e n d e n Vergleiche. Sollte die E C H r i c h t i g sein, m ü ß t e n die S e q u e n z h o m o l o g i e n z w i s c h e n O r g a n e l l e n g e n e n u n d K e r n g e n e n g r ö ß e r sein als die H o m o l o g i e n zwischen G e n e n des Z e l l k e r n s u n d r e z e n t e r P r o k a r y o t e n . Sollte die E S H G ü l t i g k e i t b e s i t z e n , d a n n m ü ß t e die Ü b e r e i n s t i m m u n g d e r S e q u e n z e n zwischen O r g a n e l l e n - u n d K e r n g e n e n k l e i n e r sein als die H o m o l o g i e n zwischen d e n G e n e n in Organellen u n d G e n e n d e r P r o k a r y o t e n . F e r n e r k a n n m a n a u c h b e s t i m m e n , o b u n d wie die G e n o m e d e r M i t o e h o n d r i e n u n d C h l o r o p l a s t e n in d e n Zellen d e r einzelnen e u k a r y o t i s c h e n T a x a v o n e i n a n d e r v a r i i e r e n , wod u r c h A u s s a g e n zu E v o l u t i o n s r a t e n m ö g l i c h w e r d e n . W i r wollen n u n v e r s u c h e n , diese B e h a u p t u n g e n a m Beispiel d e r S e q u e n z h o m o l o g i e n eines P r o t e i n s ( C y t o c h r o m c ) , n i e d e r m o l e k u l a r e r R N A ( t r a n s f e r R N A ) u n d h o c h m o l e k u l a r e r R N A (ribosomaler R N A ) zu ü b e r p r ü f e n .

4. Nucleinsäuren und Proteine als molekulare Sonden der Zellevolution

Der G r u n d , w a r u m S e q u e n z e n v o n p r i m ä r e n u n d s e k u n d ä r e n G e n p r o d u k t e n als Beispiele g e w ä h l t w u r d e n u n d n i c h t die S e q u e n z e n d e r G e n e selbst, liegt allein in d e r T a t s a c h e , d a ß es bis v o r k u r z e m n i c h t m ö g l i e h w a r , D N A zu s e q u e n z i e r e n . E r s t n a c h E n t d e c k u n g d e r R e s t r i k t i o n s e n z y m e , die D N A - D o p p e l s t r ä n g e a n g e n a u d e f i n i e r t e n Stellen s p a l t e n , w u r d e n g a n z n e u e M ö g l i c h k e i t e n e r ö f f n e t . D e r n e u e i n s e t z e n d e i n t e r n a t i o n a l e A u f s c h w u n g in d e r G e n s e q u e n z b e s t i m m u n g h a t b i s h e r b e r e i t s s e h r ü b e r z e u g e n d e E r g e b n i s s e e r b r a c h t , so d a ß m a n i n n e r h a l b d e r n ä c h s t e n J a h r e w a h r s c h e i n l i c h eine s e h r g r o ß e Z a h l a n G e n e n s e q u e n z i e r e n w i r d , u m p h y l o g e n e t i s c h e Vergleiche a n z u s t e l l e n . A u c h in d i e s e m B e i t r a g b e r u h e n einige t R N A - S e q u e n z e n auf d e r A n a l y s e i h r e r e n t s p r e c h e n d e n G e n e ; d o c h auf G r u n d des „ z e n t r a l e n D o g m a s " d e r M o l e k u l a r biologie sowie d e r h e r r s c h e n d e n R e g e l n des g e n e t i s c h e n Codes ist d e r h i s t o r i s c h f r ü h e r g e ü b t e n A n a l y s e v o n R N A - u n d P r o t e i n s e q u e n z e n eine f a s t e b e n b ü r t i g e A u s s a g e k r a f t zuzubilligen.

14

ECH

BENNO PARTHIER

(Endogene Compartimentierung-Hypothese;

MAHLER u n d RAFF

1975)

u n d a l s E S H ( E n d o s y m b i o n t e n - H y p o t h e s e ; MAKGULIITS 1970) b e z e i c h n e t . V o n j e d e r d e r b e i d e n G r u n d v o r s t e l l u n g e n g i b t es z u s ä t z l i c h e V a r i a n t e n , auf die h i e r n i c h t e i n g e g a n g e n w e r d e n soll (vgl. d a z u PARTHIEB 1975, 1980, 1981; BÖRNER u n d H A G E M A N N 1 9 7 6 ; SCHWEMMLER 1 9 7 9 ) .

E s ist v e r s t ä n d l i c h , d a ß v e r g l e i c h e n d e S e q u e n z a n a l y s e n v o n G e n e n u n d G e n p r o d u k t i o n e n als w i l l k o m m e n e Z e u g e n f ü r die R i c h t i g k e i t d e r e i n e n o d e r d e r a n d e r e n E v o l u t i o n s h y p o t h e s e h e r a n g e z o g e n w e r d e n . Solche D a t e n lassen k l a r e r e A u s s a g e n für o d e r gegen eine d e r b e i d e n H y p o t h e s e n e r w a r t e n als die bisherigen, auf p a l ä o n t o l o g i s c h e n o d e r m o r p h o l o g i s c h e n S t u d i e n b e r u h e n d e n Vergleiche. Sollte die E C H r i c h t i g sein, m ü ß t e n die S e q u e n z h o m o l o g i e n z w i s c h e n O r g a n e l l e n g e n e n u n d K e r n g e n e n g r ö ß e r sein als die H o m o l o g i e n zwischen G e n e n des Z e l l k e r n s u n d r e z e n t e r P r o k a r y o t e n . Sollte die E S H G ü l t i g k e i t b e s i t z e n , d a n n m ü ß t e die Ü b e r e i n s t i m m u n g d e r S e q u e n z e n zwischen O r g a n e l l e n - u n d K e r n g e n e n k l e i n e r sein als die H o m o l o g i e n zwischen d e n G e n e n in Organellen u n d G e n e n d e r P r o k a r y o t e n . F e r n e r k a n n m a n a u c h b e s t i m m e n , o b u n d wie die G e n o m e d e r M i t o e h o n d r i e n u n d C h l o r o p l a s t e n in d e n Zellen d e r einzelnen e u k a r y o t i s c h e n T a x a v o n e i n a n d e r v a r i i e r e n , wod u r c h A u s s a g e n zu E v o l u t i o n s r a t e n m ö g l i c h w e r d e n . W i r wollen n u n v e r s u c h e n , diese B e h a u p t u n g e n a m Beispiel d e r S e q u e n z h o m o l o g i e n eines P r o t e i n s ( C y t o c h r o m c ) , n i e d e r m o l e k u l a r e r R N A ( t r a n s f e r R N A ) u n d h o c h m o l e k u l a r e r R N A (ribosomaler R N A ) zu ü b e r p r ü f e n .

4. Nucleinsäuren und Proteine als molekulare Sonden der Zellevolution

Der G r u n d , w a r u m S e q u e n z e n v o n p r i m ä r e n u n d s e k u n d ä r e n G e n p r o d u k t e n als Beispiele g e w ä h l t w u r d e n u n d n i c h t die S e q u e n z e n d e r G e n e selbst, liegt allein in d e r T a t s a c h e , d a ß es bis v o r k u r z e m n i c h t m ö g l i e h w a r , D N A zu s e q u e n z i e r e n . E r s t n a c h E n t d e c k u n g d e r R e s t r i k t i o n s e n z y m e , die D N A - D o p p e l s t r ä n g e a n g e n a u d e f i n i e r t e n Stellen s p a l t e n , w u r d e n g a n z n e u e M ö g l i c h k e i t e n e r ö f f n e t . D e r n e u e i n s e t z e n d e i n t e r n a t i o n a l e A u f s c h w u n g in d e r G e n s e q u e n z b e s t i m m u n g h a t b i s h e r b e r e i t s s e h r ü b e r z e u g e n d e E r g e b n i s s e e r b r a c h t , so d a ß m a n i n n e r h a l b d e r n ä c h s t e n J a h r e w a h r s c h e i n l i c h eine s e h r g r o ß e Z a h l a n G e n e n s e q u e n z i e r e n w i r d , u m p h y l o g e n e t i s c h e Vergleiche a n z u s t e l l e n . A u c h in d i e s e m B e i t r a g b e r u h e n einige t R N A - S e q u e n z e n auf d e r A n a l y s e i h r e r e n t s p r e c h e n d e n G e n e ; d o c h auf G r u n d des „ z e n t r a l e n D o g m a s " d e r M o l e k u l a r biologie sowie d e r h e r r s c h e n d e n R e g e l n des g e n e t i s c h e n Codes ist d e r h i s t o r i s c h f r ü h e r g e ü b t e n A n a l y s e v o n R N A - u n d P r o t e i n s e q u e n z e n eine f a s t e b e n b ü r t i g e A u s s a g e k r a f t zuzubilligen.

Der B e i t r a g der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

15

Abb. 5. Cytochrom c : Primärspquenz und intramolekulare Anordnung der Aminosäuren um das katalytisehe Zentrum, einem eisenhaltigen Porphyrinringsystem (Hiimgruppe). V o n den 104 B a u s t e i n e n sind die A m i n o s ä u r e n im h y d r o p h o b e n I n n e r e n des Moleküls dick u m r a n d e t , die an d e r hydrophilen O b e r f l ä c h e d ü n n u m r a n d e t . A b k ü r z u n g e n der A m i n o s ä u r e n in iGroßbuchstaben i n v a r i a n t e P o s i t i o n e n in allen u n t e r s u c h t e n C y t o c h r o m e - S e q u e n z e n (vgl. A b b . .

Aus Rkixhothf.und Kravss (1982).

kennzeichnen

16

BENNO PARTHIER

4.1. Cytochrom c Cytochrom c ist ein eisenhaltiges Protein, das aus durchschnittlich 104 Aminosäuren besteht (Abb. 5) und bei der Energiegewinnung in der Atmungskette der Mitochondrien eine wichtige Rolle spielt. Es kommt daher in den Mitochondrien aller eukaryotischen Zellen vor, aber auch in Chloroplasten und Prokaryoten gibt es Cytochrome c mit analogen Funktionen. Mit Hilfe der vergleichenden Analyse von Aminosäure-Sequenzen kann man dieses Protein (bzw. die gesamte Cytochrom e-Familie) benutzen, um phylogenetische Beziehungen zwischen Prokaryoten und Mitochondrien, oder noch sicherer, solche zwischen verschiedenen Eukaryoten-Stämmen untereinander aufzuklären. Beginnen wir mit der letzten Problematik. In Abbildung 2 sahen wir einen phylogenetischen Stammbaum der höheren Organismen weit; er wurde entworfen auf Grund von Sequenzanalysen der Cytochrom c-Moleküle. Die Feinheit der Verzweigungen im oberen Teil (Säugetiere) ist ein Ausdruck der geringen Zahl von Unterschieden in den einzelnen Positionen der AminosäureSequenzen. Das breite Auseinanderweichen der Äste für Pflanzen, Insekten und Wirbeltiere läßt eine entsprechend größere Zahl von Aminosäure-Divergenzen in ihren Cytochrom c-Molekülen erwarten. Der Stammbaum gibt eindeutig Auskunft, daß die Kriterien, die aus paläontologischen, morphologischen und physiologischen Vergleichen zur phylogenetischen und taxonomischen Einordnung der Tiere, Pflanzen und Pilze geführt haben, mit dem molekularen Aufbau des Cytochrom c-Moleküls und damit der Gensequenz für dieses Protein in den verschiedenen Lebewesen sehr gut übereinstimmen. Entwicklungsgeschichtliche Aussagen aus Aminosäure-Sequenzen sind demnach voll anzuerkennen als molekulare Grundlage zur Einführung von „Evolutionsuhren" ( D A Y H O F F 1976). Ein numerischer Vergleich der Sequenzhomologien im Cytochrom c-Molekül verschiedener Organismen (Tab. 2) beweist die enge Verwandtschaft und demzufolge die historisch relativ kurze Trennung der Spezies, Gattungen oder Familien voneinander im oberen Teil der Tabelle, besonders unter den Säugetieren. Doch auch zwischen Mensch und Schildkröte besteht noch Gemeinsamkeit in 85% der Aminosäure-Positionen. Zu Pflanzen und Pilzen oder gar Prokaryoten wie Rhodospirillium bestehen allerdings größere Divergenzen. Die Differenzen in den Sequenzen überwiegen die Gemeinsamkeiten; Aussagen über Y'erwandtschaftsbeziehungen werden unsicher, weil natürlich all jene als invariant oder konstant bezeichneten Aminosäuren außer Betracht gelassen werden müssen, da sie Positionen in der Sequenz einnehmen, die im katalytischen Zentrum des Proteins liegen und als funktionell notwendige Bausteine unentbehrlich

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

17

Tabelle 2 Abweichungen in der Zahl der Aminosäurepositionen in Cytochrom c-Sequenzen aus verschiedenen Organismen. (Bezugsgröße ist Cytochrom c des Menschen) Organismus

Differenzen in AS-Positionen

Schimpanse Rhesusaffe Kaninchen Pferd Huhn Schildkröte Thunfisch Motte Weizen Hefe Rhodospirillum (Cytochrom c 2 )

0 1 9 12 13 15 21 31 35 44 70

sind. Wegen ihrer besonderen physikalischen oder ehemischen Eigenschaften sind diese Aminosäuren nicht gegen andere austauschbar. Ihr Ausfall oder Austausch würde das Molekül funktionslos machen und demzufolge das Mitochondrion bzw. die Zelle bis zur Letalität schädigen. In diesen Positionen veränderte Aminosäuren, die meist auf Mutationen in den entsprechenden Sequenzen der DNA beruhen, werden in der Evolution nicht toleriert ; die Nachkommen dieser Mutanten sterben aus. Pos. 1 4 - 1 9 :

i-Cysi-Ald :

-Gin

- :Cys

- Hi's

-ihr

H

Ser

Pos. 6 7 - 8 0 : - T y r - L e u - G l u - A s n - P r o - L y s - L y s - i y r - lle-...tMetf H

Leu

(80)

fix) Abb. (j. Invariante Aminosäuren im Cytochrom c-Molekül aller bisher untersuchten Organismen. Positionen entsprechend Abb. j . Die angezeigten Aminosäure-Austausche sind konservativer Natur, d. h. nur Aminosäuren mit sehr ähnlichen physiko-chemischen Eigenschatten wurden ausgetauscht. Eingerahmte Aminosäuren haben direkte Bindungen zum Eisen-i'orphyrinkern im katalytischen Zentrum des Cytochrom c (vgl. Abb. 5). 2

J'arthier

18

B E N N O PAKTHIER

In Abbildung 6 (vgl. auch Abb. 5) sind solche invarianten Aminosäuren und ihre Positionen erkennbar, z. B. zwei Cysteinreste in Position 14 und 17, Histidin in Position 18 und Methionin in Position 80, sowie weitere Aminosäuren im linken Begrenzungsfeld des Häms im katalytischen Zentrum. Die erstgenannten halten die Hämgruppierung durch vier kovalente Bindungen in einer festen Position innerhalb des Proteinnetzwerkes, wodurch eine Wanderung von Elektronen zum zentralen Eisen im Verlauf der Atmungskette gewährleistet wird ( D I C K E R S O N 1980). Insgesamt 60 Aminosäurepositionen sind im Cytochrom c der Hefe und des Menschen identisch. Daraus k a n n man eine Zeitspanne der Evolution von 1,2 Milliarden J a h r e n extrapolieren. In dieser Periode sind die Aminosäuren dieser Positionen nicht ausgetauscht worden, währenddessen sich die unterschied-

i m Millionen

Jahre

Abb. 7. Austauschraten in den Aminosäuresequenzen von Cytochrom c, Hämoglobinen, Fibrinopeptiden und Histon IV während der Evolution. Die Zahlen in K l a m m e r n u n t e r den P r o t e i n e n geben an, in wieviel Millionen J a h r e n (im D u r c h s c h n i t t ) ein Aminosäure-Austausch s t a t t g e f u n d e n h a b e n sollte. Aus KAVDEXVITZ (197:i) nach DICKERSON.

19

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

lichsten Phänotypen zwischen Hefe und Mensch entwickelten. Demzufolge kann man berechnen, daß in durchschnittlich 24 Millionen Jahren ein imitativ bedingter Aminosäure-Austausch im Cytochrom c-Molekül stattgefunden haben dürfte. Andere, nicht in den Mitochondrien vorkommende Proteine wie die Hämoglobine erreichten eine viermal raschere Evolutionsgeschwindigkeit, die an der Blutgerinnung beteiligten Fibrinopeptide veränderten sich sogar mit dem Faktor 15 schneller (Abb. 7). Dagegen sind Histone als Proteine des Zellkerns ein Musterbeispiel an phylogenetischer Stabilität. Während die Entwicklungsgeschichte der Eukaryoten, insbesondere der Tiere, auf der Grundlage von Sequenzanalysen vieler Proteine sehr gut belegt ist, die mit fossilen und morphologischen Befunden völlig übereinstimmen,

Neurospora"1

Pseudomon.

Paracoccus

Azcboòact

pseudom

Abb. 8. Stammbaum der Cytochrom c-Familie. Aus Sequenzvergleichen v o n C y t o c h r o m c-I'riniärstrukluren mit solchen anderer Cy toehrome der c-Familio w e r den phylogenetische Beziehungen zwischen verschiedenen P r o k a r y o t e n - L i n i e n , zu Mitochondrien und Chloroplasten hergestellt. Aus DAYHOFF (1970), v e r ä n d e r t .

sind die phylogenetischen Beziehungen zwischen Prokaryoten und den Organellen der Eucyten weit weniger gesichert. Es ist das Verdienst besonders von Margaret DAYHOFF, einige Klarheit in diesen Bereich gebracht zu haben, indem sie verschiedene Typen von Cytochrom c zu „Überfamilien" zusammenfaßte und dafür Stammbäume konstruierte (Abb. 8), die sie mit den Stammbäumen anderer Proteine oder Nucleinsäuren verglich. Daraus läßt sich erkennen, daß die phylogenetische Herkunft der Chloroplasten aus Blaualgen (Cyanobakterien) als ziemlich sicher gelten kann, während Mitochondrien aus aeroben und zugleich photosynthetischen Formen von Purpurbakterien stammen dürften, die der heutigen Gattung Rhodospirillum ähnelten (SCHWARTZ 2*

20

BENNO PARTHIER

und D A Y H O F F 1978, D I C K E R S O N 1980). Die Elektronentransportketten der Photosynthese und der Atmung haben demnach einen gemeinsamen Ursprung. D e r Verlust des photosynthetischen Teils kann erst eingetreten sein, nachdem die Erdatmosphäre bereits eine Sauerstoffkonzentration erreicht hatte, in der die Bakterien allein durch Atmung genügend Energie zum Überleben gewannen. Die relativ geringe Größe und der hohe Eunktionalisierungsgrad verleihen allerdings dem Cytochrom c den Charakter eines relativ konservativen Moleküls. E s liegt der Gedanke nahe, ob die beschriebenen Homologien nicht ebenso zwingend durch funktionsbedingte konvergente Entwicklungen entstanden sein und uns zu stammesgeschichtlich irreführenden Aussagen verleiten könnten. Zudem widerspiegelt eine Proteinsequenz direkt nur die Sequenz einer Messenger-RNA und erst in zweiter Linie die Gensequenz; posttranskriptionelle Veränderungen von Aminosäuresequenzen liegen daher im Bereich des Möglichen. Schließlich bedeutet die Degeneriertheit des genetischen Codes, daß fast alle Aminosäuren (außer Met und Trp) durch zwei oder mehr BasenTripletts codiert werden. E s können daher Mutationen stattgefunden haben, ohne daß die Aminosäure verändert wurde (sogenannte stille Mutationen). Solche Einwände entfallen bei den folgenden Beispielen der Sequenzvergleiche zwischen RNA-Molekülen.

4.2.

Transfer-RNA

Transfer-RNA ( t R N A ) spielt bei der Eiweißsynthese eine zentrale Rolle indem sie als struktureller und funktioneller Adaptor zwischen der transkribierten genetischen Information (der m R N A ) und ihrem Produkt (den Proteinen) dient. An jedes tRNA-Molekül wird auf enzymatischem Wege eine bestimmte Aminosäure esterartig gebunden, dann wird sie als Aminoaoyl-tRNA zu den Ribosomen transportiert, wo die Aminosäure auf Grund der spezifischen Basenpaarung zwischen Anticodon-Triplett ihrer t R N A und dem entsprechenden Code-Triplett der Messenger-RNA in der genetisch vorbestimmten Reihenfolge in die wachsende Polypeptidkette eingefügt wird. F ü r jede der 2 0 proteinogenen Aminosäuren gibt es eine bestimmte tRNA-Species, aber die wirkliche Zahl der t R N A - A r t e n in einer Zelle, besonders in der eukaryotischen, ist mehrfach höher, weil verschiedene Isoakzeptor-tRjNAs (so werden unterschiedliche tRNA-Moleküle für die gleiche Aminosäure genannt) im Cytosol, Mitochondrien und Chloroplasten vorliegen und weil der genetische Code degeneriert ist, d. h. für fast alle Aminosäuren mehrere Code-Wörter existieren, für die entsprechende Anticodons in tRXA-Molekülen mit unterschiedlichen Primärstrukturen vorhanden sind.

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

21

3'

0

0 0 5' © o - © 0 - 0

0 - 0 0 - 0 0 - 0 0 - 0 (T)

0

¿ P ©

©

d

© @ O © M

0 0

(66)

©

0 0 0 0 © M I N

| | |

©»©©©^

_ 0 - 0

T

© ©

@ £ ) 0 © © © © ©

0

< % > 47^0;

47^8)

Abb. 9. Allgemeine „Kleeblatf'-Struktur der Transfcr-RNA. Die dick umrandeten Positionen bedeuten invariante

Basen, die in ( f a s t ) allen bisher sequenzierten ca.

tiOO t R N A-Spezies unverändert sind. A , Anticodon-Sehleife ; T), Dihydrouridin-Schleife ; T . Tliymidin-Sehleife ; V , Extra-Schleife (nicht in allen t R N A - S p e z i e s ausgeprägt). Aus PAKTIIIER ( l i i & i ) nach ( U r s s und SRRINZL (1981), modifiziert.

A l l e bisher sequenzierten t R N A - M o l e k i i l e

(z. Z . ca. 300) sind durch eine

g e m e i n s a m e G r u n d s t r u k t u r aus durchschnittlich 76 Basen b z w .

Nucleoiiden

g e k e n n z e i c h n e t , die sich i m K l e e b l a t t - M o d e l l übersichtlich darstellen

lassen

( A b b . 9), w ä h r e n d die f u n k t i o n s f ä h i g e dreidimensionale K o n f o r n i a t i o n durch

22

BENNO

PARTIUEB

intramolekulare B i n d u n g e n einein k o m p a k t e n , , L " ähnelt, j e d e s

tRNA-Mole-

kiil enthält i n v a r i a n t e Basen in P o s i t i o n e n , die f ü r die A u f g a b e n der

tRNA

in der P r o t e i n b i o s y n t h e s e n o t w e n d i g sind. Sie befinden sich in den Schleifen D und T g e h ä u f t , w ä h r e n d insbesondere die g e p a a r t e n Basen in den Stammesabschnitten

des Moleküls

ohne

Funktionsverlust

weitgehend

austauschbar

erscheinen. X u r diese Varianten Basen sind f ü r phylogenetische B e t r a c h t u n g e n interessant, weil i m i t a t i v e V e r ä n d e r u n g e n in der R e g e l keine letalen

Konse-

quenzen haben sollten. Sie erweisen sich d a h e r in erster L i n i e als K a n d i d a t e n f ü r Gradmesser der Involution.

76

0 E

A -iG—C 70
,

pombe);

Q

Unterschiede zwischen

„ i n v a r i a n t e " B a s e n in t I l N " A P l l e B a s e n . N a c h PAKTHIER

(1980)

— unterschiedliche B a s e n in t R N A I > h e aus C h l o r o p i a s t e n a u s

Hefe-Mitochondrien;

proka-

verschie-

• , Variante

Der Beitrag der Molekularbiologie zur E v o l u t i o n s e r k e n n t n i s

23

Betrachten wir die „Grundstruktur" der Phenylalanin bindenden tRNA (tRNA p h e ), die aus den Sequenzdaten von mehr als 20 tRNA P h e -Arten von verschiedener Herkunft konstruiert wurde (Abb. 10), dann fallen neben den für alle tRNA-Arten universell invariablen Basen weitere Positionen auf, die in allen tRNA. phe -Alolekülen konserviert worden sind; offenbar sind sie für die enzymatische Bindung des Phenylalanins an die t R N A erforderlich. Zwischen den t R N A p h e aus prokaryotischen und eukaryotischen Zellen gibt es einige Positionen mit unterschiedlichen Basen, die rieben den etwa 25 variablen Basen zu Evolutionsbetrachtungen herangezogen werden können. Vergleichen wir die Basensequenzen der tRNA p h e von Organellen, Cytosol und aus Procyten (ausführliche Darstellungen bei PAKTHIER 1980, 1982), so zeigt sich: Der Homologiegrad zwischen tRN"A phe aus Chloroplasten und Blaualgen beträgt 85%, zwischen Chloroplasten verschiedener Pflanzen gar 95%. Demgegenüber sind tRN"A Phe der Chloroplasten und des Cytosol derselben Zelle nur zu 65% homolog. Noch geringere Sequenzhomologien weist tRNA p h e aus Mitochondrien der Hefe gegenüber tRNA p l l e aus Prokaryoten, Chloroplasten und eukaryotischem Cytosol auf; die Unterschiede sind ähnlich groß (zwischen 52 und 62%). Diese Aussage stützt sich nur auf bisher eine sequenzierte mitochondriale tRNA p h e (Hefe). Dagegen enthält Tabelle 3 eine Auswertung der Basenhomologien aller bereits sequenzierten tRNA-Spezies (GAUSS & S P R I N Z L 1 9 8 1 ) aus Mitochondrien, Chloroplasten, Prokaryoten und eukaryotischem Cytosol. Tabelle 3 Durchschnittliche prozentuale H o m o l o g i e n der S e q u e n z e n mehrerer t R N A - S p e c i e s aus Chloroplasten, Mitochondrien u n d d e m Cytosol v o n eukaryotischen Zellen sowie v o n P r o k a r y o t e n ( ~ Eubakterien) bzw. Cyanobakterien. A = Algen (Euglena); F = P i l z e ; P = P f l a n z e n ; T = Tiere. D i e Zahlen in K l a m m e r n b e d e u t e n % H o m o l o g i e n n a c h A b z u g der in allen t R N A - S e q u e n z e n v o r h a n d e n e n 23 invarianten Basen (vgl. Abb. 9); die V-Schleife wurde ebenfalls unberücksichtigt gelassen Mitochondr. (F) - Cytosol (F) Mitochondr. (F) - Chloropl. (P) Mitochondr. (F) — P r o k a r y o t e n

50 (30) 55 (37) 57 (40)

Chloropl.

60 (43)

Chloropl. 75 (65) Chloropl. — Cyanobakterien 85 (79) Chloropl. (P) - Chloropl. (A) 90 (86) Mitochondr. (F)* - Mitochondr. (F)* 70 (58) Chloropl. (P) - Chloropl. (P) 98 (97) Cytosol — Prokaryoten 64 (50) Cytosol (T) - Cytosol (F) 76 (66) Cytosol (T) - Cytosol (P) 86 (80) Cytosol (T) - Cytosol (T) 97 (96) * Saecharomyces

— Neurospora

— Aspergillus

untereinander verglichen.

24

B E N N O PARTHIER

Wie aus den hier ausgewählten Sequenzen hervorgeht, können die für tRNA p h e festgestellten zahlenmäßigen Homologien bestätigt, verallgemeinert und bezüglich der phylogenetischen Abstammung in einem Stammbaum (Abb. 11) dargestellt werden. Besonders auffällig ist die abgesonderte Stellung der Mitochondrien untereinander sowie zu den anderen Zelltypen oder zu den Chloroplasten. Oleichfalls offensichtlich ist die Ausnahmestellung der Archaebakterien; doch ist hier die Zahl der sequenzierten tRNAsnoch zu gering, um bereits genauere Angaben machen zu können. Mitochondrien Sauger

Bakterien

Hefe

Aspergillus

E coli

Stcarotherm Bacillus

Abb. 11. Phylogenetische Beziehungen zwischen prokaryot-ischen Zellen, Chloroplasten, Mitochondrien und eukaryotischen Zellen (Cytosol), konstruiert an Hand bisher sequenzierter tRNA-Spezies. Abstände u n d Zweiglängen des „ S t a m m b a u m s " sind relativ lind widerspiegeln keine Zeitangaben. Nach der tllNA-Sequenzsaminlung von G A r s s u n d Si'Wxzi- (1981); (vgl. auch T a b . 8).

4.3. Ribosomale

ENA

Der Aussagewert von Sequenzanalysen wird natürlich um so besser, je länger die zu vergleichenden Primärstrukturen sind. Ribosomale RNA als strukturelles Element der Ribosomen besteht aus sehr viel mehr Bausteinen als tRNA oder Cytochrom e. Für das unmittelbare Verständnis des folgenden ist wichtig, daß es zwei verschiedene Klassen (Typen) von Ribosomen gibt, die sich in ihren Größen sowie in der Zusammensetzung ihrer molekularen Komponenten unterscheiden, nämlich 70S-Ribosomen in prokaryotischen Zellen, in Chloroplasten und Mitochondrien, 80S-Ribosomen im Cytoplasma aller eukaryotischen Zellen. Jedes Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten und diese wiederum setzen sich aus einer unterschiedlichen Zahl von Bausteinen, ribosomaler RNA (rRNA)

Ribosom

Untereinheiten

ribos. Prot.

O

ribosom. RNA

32/t1

23/28

fl

fr* ]

5/5

~/5,8

50/60

•• •• •• •• •• •••••

%

+

JS

•MM

70/80

30/4-0

Í6/16

A b b . 12. Bestandteile der 70S (und 80S)-Ribosomen Die Ribosomen können in 2 Untereinheiten und diese weiter in ihre Bausteine, R N A und ribosomale Proteine, reversibel dissoziiert werden. Die beiden Untereinheiten enthalten je eine hoehniolekulare r l i N A , die große Untereinheit eine niedermolekulare (5S) r R N A , eine zusätzliche 5,8S r R N A bei eukaryotischen 80S-Ribosomen. Zahlenangaben als S-Werte (S = Sedimentationskoeffizient), unter rilioR. I ' i o t . jedoch Anzahl der Proteine. Die jeweils erste Zahl gilt für prokaryotische, die zweite Zahljfür eukaryotische Ribosomen. Aus E k p m a n x et al. (1980), verändert

Methanoöacterium arbophihcum M.ruminanbium M.Form ¡cum M. thermooutotrophicum

MethanospiriHum Methonosarcina Enterobakterien Bacillus Cyarwbaktcnen Chloroplasten

Hefe (18S) Pflanzen (idS) Tiere (18S) 0,0 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,? 0,3 0,9

A b b . 13. Phylogenetische Xuclease-Spaltung

von

1,0

Sab

Beziehungen in einem Dendrogramm,

16S r R N A

(bei Eukaryoten 18S r R N A )

abgeleitet aus der und Vergleich

der

Spaltprodukte (verschiedene Oligonucleotide). In der S A B -Skala bedeuten die Zahlen zwischen 0,0 und 1,0 Assoziationskoeffizienten, die für jeden binären Vergleich A gegen Ii auf folgende Weise berechnet werden: S A B

- 2 N ' A B / ( N A -f X| ( ), wobei X A , N B und X

A B

die Zahlen jener Basen sind, die in den Oligonucleotiden der r K X A ans Organismus A und B identisch sind (hexamere oder noch größere Oligonucleotide wurden nur herangezogen). Quotienten nahe 0 bedeuten geringe, solche nahe 1 zeigen hohe Homologien an.

- I m oberen Teil sind die phylogenetischen Beziehungen

zwischen Methanobakterien (Archaehakterjen). im mittleren Teil zwischen Eubakterien (und Ohloroplasten). im unteren Teil zwischen Eukaryonten (Cytoplasma-Ribosomen) angegeben. -Nach Ergebnissen von F o x et al. (1977), W o e s e und F o x (1977). B o x e n et al. (1979).

26

BENNO PAKTHIER

und ribosomalen Proteinen, zusammen (Abb. 12). llibosomen der 70S-Klasse bestehen aus zwei hochmolekularen r R N A (23S u n d 16S, m i t molekularen Massen von 1,1 und 0,56 X 106 Dalton) und einer niedermolekularen 5S r R N A . 80S-Ribosomen besitzen je eine 25 bis 28S u n d 17 bis 18S große hochmolekulare r R N A und daneben zwei niedermolekulare (5S und 5,8S). Eine Ausnahme bilden die „Mini-Ribosomen" (55S) in den Mitoehondrien der Tiere, deren hochmolekulare rRNA-Spezies 16S und 12S groß sind (vgl. Tab. 4). Die ersten Ansätze zur Verwendung von r R N A - S t r u k t u r e n f ü r die stammesgeschichtlichen Beziehungen der Organismen wurden von W O E S E u n d Mitarbeitern gemacht ( F o x et al. 1977, W O E S E und F o x 1977). Sie zerlegten die r R N A durch Nucleasen in oligomere Abschnitte u n d verglichen die Reihenfolge der Basen in den einzelnen Oligomeren sowie deren Anzahl z. B. in 16S r R N A s aus verschiedenen Organismen. Im resultierenden D e n d r o g r a m m (Abb. 13) ließen sich die Grade der Verwandtschaftsbeziehungen q u a n t i t a t i v ausdrücken. Aber erst die A u f k l ä r u n g längerer Sequenzabschnitte u n d schließlich ganzer rRNA-Molekiile erbrachte klare q u a n t i t a t i v e Aussagen. So w u r d e z. B. geTabelle 4 Bereits sequenzierte hochmolekulare Ribosomen-RNA (vgl. BRANLANT et al. 1981, BKIMACOMBE 1 9 8 1 , STIEGLER e t a l . 1 9 8 1 )

Organismus

Kompartiment

E. coli

Cytosol Cytosol

16

1542

23

2904

Chloroplast Chloroplast

16

1490

23

3079*

Mitoehondrien Mitoehondrien

12

955

16

1559

Mitoehondrien Mitoehondrien

15

1661

26

3500

Cytosol Cytosol

18

1790

28

4000

Cytosol Cytosol

1 7 - 18

1750-1850

2 5 - 28

3500-4000

Mais Maus, Mensch Hefe Hefe Pflanzen, Tiere

* Enthält 4.5S rRNA.

rRNA S-Wert

rRNA Basenzahl

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis f u n d e n , daß die 16S r R N A aus d e m D a r m b a k t e r i u m Escherichia und Chloroplasten

v o n Mais

zwar

„nur"

strukturen sind (SCHWARZ und KÖSSEL

75%

homolog

27 coli

in ihren

(E.

coli)

Primär-

1980), die S e k u n d ä r s t r u k t u r e n

be-

s t i m m t e r r R N A - R e g i o n e n weisen j e d o c h I d e n t i t ä t auf ( A b b . 14). Von

den

m i t t l e r w e i l e v o l l s t ä n d i g sequenzierten

rRNA-Molekülen

wurden

S e k u n d ä r s t r u k t u r - M o d e l l e e n t w o r f e n (STIEGLER et al. 1981, BRAM.ANT et al. 1981, ZWIEB et al. 1981). A b b . 15 veranschaulicht die h o c h g e o r d n e t e S e k u n d ä r struktur der 16S r R N A v o n E.

coli.

Die homologe r R N A

aus Mais-Chloro-

plasten ist 50 Basen kürzer als die 16S r R N A v o n E. coli, d o c h ihre S e k u n d ä r strukturen scheinen identisch zu sein ( A b b . 15). F e r n e r z e i g t e sich, daß auch andere r R N A - M o l e k i i l e

der

IßS-Kla-sse (12S bis 18S) auf eine

gemeinsame

S e k u n d ä r s t r u k t u r a n g e p a ß t w e r d e n k ö n n e n , o b w o h l die M o l e k ü l e verschieden lang sind und der A n t e i l h o m o l o g e r Basen unterschiedlich hoch ist. A l l e diese Strukturen enthalten wohldefinierte Domänen mit äquivalenten (Abb.

16). So g i b t es b e m e r k e n s w e r t e

A

C

G A

"U

UL

C - G A - U G A C - G 860 G - C U — A R G U - A C

U-A„

C Z G 83O5-G

G - U G - U 870

U-A

A

810 C

U „G

840

A G 780 A - U 800 A A C - G G - U R A G G G - C G - C A - U

766 A A

zwischen

G

A

C G - C G - C G - C

C - G G— C

Sequenzen

•XGUGc"

790 A G A

U U

strukturelle Ä h n l i c h k e i t e n

G% lAcGAUG

U C A U

- A A - G - U - A

G-C

— G 880 G - C G - C A - U U — 580 G G

Abb. 14. Vergleich der Sekundärstruktur eines Abschnittes der 16S r R N A aus MaisChloroplasten (links) und E. coli (rechts). A u s g e w ä h l t wurden je ein Abschnitt aus der M o l e k ü l m i t t e der gleichen Basenpositionen. Obgleich Basenunterschiede in einer R e i h e h o m o l o g e r P o s i t i o n e n bestehen, zeigen die postulierten identische Z ü g e ( „ H a a r n a d e l s c h l e i f e n " ) . Aus SCHWÄRZ und KUSSEL

(1980).

Sekundärstrukturell

28

BENNO

PARTHIER

18c»0 -1U*((JIjil ^""'fllL WbjEi ^ &

.

™

-0 37 "izf"

|!-S

14,0 1

4b

'"coi

A b b . 15. P r i m ä r - u n d S e k u n d ä r s t r u k t u r der v o l l s t ä n d i g e n 1 6 S r R N A a n s E. D a s M o l e k ü l b e s t e h t a u s 1 5 4 1 B a s e n , die e n t w e d e r g e p a a r t in D o p p e l s i n n i g - oder einzeln i n

coli.

Schleifenah-

s c h n i t t e n v o r l i e g e n . D i e S e k u n d ä r s t r u k t u r d e r v o l l s t ä n d i g e n 1(5S r R N A a u s M a i s - C h l o r o p l a s t e n ist p r a k t i s c h i d e n t i s c h , o b w o h l n u r 75"«', B a s e n h o m o l o g i e n in den P r i m ä r s e q u e n z e n v o r h a n d e n sind. D e r 1CS r R N A

aus

C h l o r o p l a s t e n fehlen 5 0 B a s e n g e g e n ü b e r der r R N A aus E. coli ( h i e r d u r c h P f e i l e und B a l k e n a n g e d e u t e t ) . Aus STIEGLER et al. ( 1 9 8 1 ) w e n i g v e r ä n d e r t .

Der Beitrag der Molekularbiologie zur Evolutionserkenntnis

II

:

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[1:5-353]

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C N h ,[25-106] 1

AAA

23 o ^

22 Seiten - 2 F a r b t a f e l n -

8° -

M 5,-

H e f t 0

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P r o f . Dr. sc. med. HANS DRISCHEL, Elektromagnetische Felder und Lebewesen 1978. 31 Seiten - 14 A b b i l d u n g e n - 2 Tabellen

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P r o f . I)R. MAXI REU GERSCH, W a c h s t u m und Wachstunisregulatoren der Krebse. Biologische kenntnisse und generelle E r w ä g u n g e n 1079. 32 Seiten - 13 A b b i l d u n g e n - 1 T a b e l l e - 8° - M

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P r o f . Dr. rer. nat. FRIEDRICH WOLF / D r . rer. nat. URSULA KOCH, Ü b e r den E i n f l u ß der chemischen Struktur von Dispersionsfarbstoffen auf deren Dispersionsstabilität 1979. 18 Seiten - 3 A b b i l d u n g e n - 10 Tabellen - 8° - M 3,50

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