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Wie viele Gene braucht Leben? - Die Minimalzelle
Kai Fiedler Wie viele Gene braucht Leben? - Die Minimalzelle
Das Erbgut menschlicher Zellen enthält die Informationen für ungefähr 20.000 Gene [1]. Das Genom des Porcinen Circovirus-1 umfasst genau zwei Gene [1]. Wie viele Gene sind nötig, um von einem eigenständigen Lebewesen zu sprechen? Wie klein kann das Erbgut einer Zelle sein, um dennoch die nötigsten, zellulären Prozesse steuern zu können? Und was sind die nötigsten Prozesse, die eine Zelle ausführen muss, um als Lebewesen zu gelten? Diese Fragen versuchen Forschende mit der Erschaffung einer Minimalzelle zu beantworten.
Die Anzahl der Gene und die Größe des Erbguts sind in verschiedenen Lebewesen recht unterschiedlich. In den Anfangstagen der Genetik war man sicher, dass die Komplexität eines Lebewesens in direktem Zusammenhang zu der Größe seines Erbguts und der Anzahl der darauf befindlichen Gene steht [2]. Als Beispiel kann angeführt werden, dass das Darmbakterium Escherichia coli, ein einzelliger Prokaryot, also eine Zelle ohne echten Zellkern, ein Erbgut bestehend aus 4,6 Millionen Basenpaaren besitzt, auf dem sich etwa 4.400 Gene befinden. Das Erbgut der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, immerhin ein einzelliger Eukaryot, besteht aus etwas über 12 Millionen Basenpaaren, auf dem knapp über 6.000 Gene liegen. Eine menschliche Zelle beinhaltet ein Genom bestehend aus etwa 3 Milliarden Basenpaaren und rund 20.000 Genen [1]. Je mehr jedoch über das Erbgut bekannt wurde, desto mehr Abweichungen von dieser Regel wurden gefunden. Während in Prokaryoten noch ein feststellbarer Zusammenhang zwischen der Komplexität des Organismus und der Größe seines Genoms besteht, ist diese Abhängigkeit bei Eukaryoten nicht gegeben [3]. In anderen Worten: Die Komplexität eines Lebewesens hängt nicht von der Anzahl seiner Gene bzw. Größe seines Erbguts ab. Das wird an folgenden Beispielen klar: Das menschliche Genom setzt sich aus etwa 3 Milliarden Basenpaaren zusammen; die rund 624 Arten von Salamandern haben eine Genomgröße zwischen 10 und 120 Milliarden Basenpaaren [4]. Die einzellige Amöbe Polychaos dubium besitzt hingegen eines der größten Genome, bestehend aus 670 Milliarden Basenpaaren [5]. Dennoch ist es wissenschaftlich unhaltbar zu behaupten, dass Amöben komplexer seien als Salamander, oder dass Salamander komplexere Lebewesen seien als Menschen. Diese Beobachtung wurde zunächst als C-Wert-Paradoxon bezeichnet, wobei der C-Wert die Gesamtmenge an DNA des einfachen Chromosomensatzes angibt [6]. Erst die genauere Untersuchung und letztlich die Entschlüsselung des Erbguts verschiedener Lebewesen und speziell des Menschen konnte das Paradoxon erklären. Die Genome eukaryotischer Lebewesen bestehen zu großen Teilen aus Sequenzwiederholungen und Transposons (siehe auch „Wenn Gene wandern: Transposons“). Im Menschen enthält nur ein kleiner Teil des Genoms, nämlich 20%, die Informationen für Gene und gerade einmal 2% entfallen auf die Exonen, die die Informationen für die Herstellung von Proteinen enthalten [7]. Somit hängt die Größe des Erbguts neben anderen Faktoren entscheidend von der Anzahl an Mutationen ab, die weitere Basenpaare hinzufügen oder bestehende Basenpaare entfernen, sowie von der Aktivität der Transposons, die durch ihr „Springen“ das Genom vergrößern. Doch selbst wenn alle Sequenzwiederholungen, Introns usw., entfernt werden, besitzen Organismen viele Gene, die Proteine codieren, die nur für bestimmte Situationen von Bedeutung sind. Wie viele Gene haben sich also im Laufe der Evolution angesammelt, weil sie unter bestimmten Umweltbedingungen von großer Bedeutung sind, aber unter konstanten Bedingungen nicht überlebenswichtig sind? Oder kurz gefragt: Wie viele Gene benötigt ein Lebewesen mindestens, um leben zu können?
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