Werner Arber (2011) - Updated Notions on Darwinian Evolution

Charles Darwin had based his theory of biological evolution on the observation that phenotypic variants of a given species can sometimes over-grow their parental population, and he attributed this to selective advantage, i.e., to the impact of natural selection

Well I’m very pleased to be with you this morning and I would like to talk as it was just said on evolution. Well biological evolution as well as cosmic evolution are very important things and philosophers, some thousands of years back and people starting to create religions were thinking on where do we come from, where do we go to and what is our environment. Nowadays we know a lot and it is in the 18th century that, sorry it is in the 19th century, 1860’s, 19th century that in fact biologists like Gregor Mendel and Charles Darwin observed that individuals belonging to a particular species, not always had the same phenotype. And that was Mendel’s work, that some of these phenotypes got transferred into progeny, the first one, second one, third one and so on. That was the start of genetics. And more or less at the same time Charles Darwin reflected on his observations which he made that in some geographically isolated areas living beings populations belonging to a species which was also found elsewhere had in general another phenotype. So he reflected that natural selection favoured in fact that particular phenotype. That for example on some island and other phenotypes favoured the development of another variant elsewhere. One talked on variants and one had at that moment of course no idea as we have now on the basis of genetic information. What I show here is scheme of neo-Darwinistic evolution which came in the middle of the, around 1940 which was the fusion between classical genetics and evolutionary biology. You’ll see that genetic variation, I call it now genetic variation rather than phenotypic variation or mutation, I use these same 2 terms for the same characteristics. That these drive evolution. Of course if there would not be any mutation in any of the living beings there couldn’t be an evolution, couldn’t be a preference and selection. Now on the other side you see natural selection, this is a complex phenomena that the way how living beings deal with their encountered environments. And we do know of course that an environment is composed mainly on physical chemical, non-living matter and on biological environment. That means all the other living beings which live together in the same habitat as the one we look at can exert some selective influence on each other. We do know that what we do in the laboratory, I’m a microbial geneticist and I did most of my work with Escherichia coli bacteria, clearly defined, no other living beings around, in a medium which was a good growth medium. They had a generation time from 1 cell division to the next of 30 minutes, so everything was fast. And one could easily see these things. This is not what happens in nature, even in my body, I know now that not only me but you all carry at least as many microbial cells in your body as human cells. And you are not feeling sick by that, they help you actually in your life, we help them, we give them, provide them as a host the possibility. So we should consider – and this is quite important for medicine also – consider any living being higher organisms, being it human beings, animals or plants, as in fact ecosystems with a multitude of different kind of organisms which cohabitate. Then the rest is isolation, I mentioned already Charles Darwin’s observation that on isolated islands maybe that influences the biological evolution. So the general conclusion which you see here is without variation there wouldn’t be any evolution. So genetic variation is the driving force of genetic evolution on biological evolution. Natural selection, together with at any time available genetic variants and the parental forms decide where the branches on the tree on evolution are growing. That means the directions of evolution. And isolation of course modulates the process. The question is what are now the genetic variations, how do these variations occur. In many text books still nowadays you see that in the DNA these are errors of replication or accidents happening to the DNA. I wanted to invite you to give up that idea, it’s a wrong way of understanding nature. That the process of evolution is so important and you shouldn’t accept that this is based on errors. We will see how that works. And in order to see how that works we have to think how do we investigate that. On the lower part here in red I say individual processes of the generation of genetic variants should be studied case by case. And of course with animals or human beings that’s very difficult because of the very long generation time, on the very long genome. You do much better if you study that with bacteria or even with viruses. And I wanted to report to you results which were mainly obtained originally with microbial genetics. However since about 2 decades we have more and more nucleotide sequences available, these are entire genomes but you could also be interested to look in individual genes or even in a small domain on a gene which is homologous in other genes. And you could see groups of genes which sometimes collaborate with each other. And that can be easily done, this kind of comparison of nucleotide sequences by bio-informatic tools. So that’s also quite efficient. It doesn’t show how the process occurs but it can validate what you conclude from microbial genetics and that is quite beneficial. Now the E-coli bacteria have interestingly just one single circular DNA molecule as a genome which is almost carrying almost 5 million base pairs. And the genes of course we all know that it’s few decades which are coding for gene products which often are enzymes. These are mainly proteins, sometimes also RNA molecules. And of course genes have expression control signals which are located at different sites on which other proteins may interact, RNA may interact. And if you now consider a mutation, not any longer as a change in the phenotype but change in the nucleotide sequence, it becomes obvious that if you have a mutation within the reading frame of a gene, you may or may not have an alteration in the gene product. And if you have mutation in the expression control signal you may or may not have a different availability of that gene product. With that knowledge let me just see, I said may or may not, why, because it became clear and I think most of the biologists are in consent with that idea, that mutations, novel mutations are only relatively rarely favourable, that means useful for the individual which suffered the mutation. And providing a selective advantage in the encountered environment. Much more often novel mutation is unfavourable, providing selective disadvantage which can inhibit the life processes, sometimes very strongly so that in growing bacteria, dying bacteria, it’s just lethal. But many other mutants have no immediate influence on life processes, they are called silent and neutral and these may or may not at some later time together with additional novel mutations have some effect on the future evolution. And we do know several reasons why some of the mutations are silent. Under these conditions with rarely favourable mutants occurring spontaneously we can conclude that we indeed have no good evidence for a directedness of spontaneous mutations. My bacteria have no sensors to find out, oh I’m now in another environment, I should change this particular gene in this particular way in order to ferment, for example a sugar which was not present before. That doesn’t happen. It’s more random, by chance rarely this mutation, maybe in one cell or a few cells of the population and then it becomes selectively favoured and can eventually overgrow the rest of the population. And for the same reasons tolerable mutation frequencies in my haploid organisms and you can extrapolate to do this to diploids also must be very low, you don’t want per generation to accumulate many, many novel mutations in the genome because many are actually detrimental. So we will have to see for ways how mutations occur and how nature manages to keep evolution rates at low levels in order to tolerate life of a majority of the individuals in populations. What you see here again is on the right hand side, the sources of genetic variation, that means genetic variation, we have isolation there and natural selection. But I now comment on the processes of genetic variation. We do see that there are more than one, actually quite a number of different specific mechanisms contributing to the overall genetic variation in the microbial populations. And some of these occur during DNA replication, some of these are due to rearrangement intragenomically. A part, a segment of that linear genome can be duplicated, can be deleted, can be inverted and remaining at the same site, can transpose from one site to another and so on. And these processes, all of these processes are experimentally explored and we do know at least in some of them how nature manages to keep the rate at very low rates of these occurrences. Finally there is also, it is also known that sometimes a gene or a group of genes or even functional domain only can find its way from one type of organism into another type. And then we will see how that can behave there and exert some influence. So you see there are a number of different mechanisms and it is interesting to know that if you study for example E-coli strains and then you compare with some other bacteria you see that the specific mechanisms in these living beings are not always absolutely the same. There may be other genes there. But it is important to have such genes which help evolution and I will comment on those just in a moment. Before going you can see in fact you can attribute any of these observed specific mechanism to what I call natural strategy of genetic variation. And I can identify 3 strategies, one is a local sequence change, the other is a DNA rearrangement and the third one is DNA acquisition. So I go back to that, here we already said E-coli has a genome of about 5 million base pairs. If we compare that with our written language, where we put one letter after the next, the local sequence change is corresponding to changes within one word. You delete one letter in the word, you insert another one or you mingle up the sequences. And these are very local changes. The second one, you take a segment, maybe half a page which you duplicate and leave there so that the further evolution can work on one without changing the other one. Or you can invert that segment and so on. And the third strategy you take one page for example or part of a page from one organism of a different type and you bring it over into an organism which will be then the recipient organism. That’s horizontal transfer. I will come back at the very end, shortly to comment on this once more. By the way the bible, old and new testament have not quite, in the German edition, not quite 5 million letters, so E-coli is a book of the size of the bible. We human beings have about 700 times more, that means an encyclopaedia of about 700 volumes. And there are even living beings, including plants which go up to 1000 of these books in their genetic library. I want now to comment just very briefly without, I’m sorry in 30 minutes I cannot give you existing evidence for this what I say, but what you see here is what Watson and Crick already commented on in the Cold Spring Harbour Symposium of 1953. That in fact it was known from organic chemistry since quite some time that isomeric forms exist from organic chemical compounds and that also applies to nucleotides and the adenine which normally pairs with thymine. In fact has a most stable form but a short living tautomeric form in which one hydrogen atom is found not on the same place as in the standard form but slightly near to another nitrogen. That influences of course the 3-dimensional configuration of that molecule and it cannot pair any longer spontaneously with thymine. But interestingly Watson Crick already mentioned that time, it could in principle pair with cytosine. So then when the short living tautomeric form shifts back to the standard you have a mis-pairing. So mis-pairings of course if you reflect shouldn’t be attributed to errors, nature uses this kind of structural flexibility of bioorganic molecules to do something rarely. It doesn’t make it, during replication on long molecules of DNA, perhaps only a few times. But the longer the genome is the more that could bring you into problem because most of the nucleotide, many of the nucleotide changes may be unfavourable. And we do in the meantime know that in all living beings which have been studied so far, in fact there are efficient repair systems able to identify these nascent mis-pairings very rapidly. These enzymes largely, not quite all but largely can identify which is the parental strand and which is the newly synthesised strand in which the wrong nucleotide was added for creating afterwards the mis-pairing. And they can repair that. Without that I think life of higher organisms wouldn’t be possible, even for bacteria. So that's a wonderful thing. And the repair is not absolutely 100%, if a repair would be 100% you wouldn’t have local, this type of local nucleotide substitution which is an important contribution to biological evolution. So I think in the course of long past evolution these repair systems have been fine tuned to do their work so that those living beings which are among us, including us, in fact profit from having the possibility to do that work in order to keep local mutagenesis very low. There are other local mutants, for example local mutagenesis can also be due to the effect of chemical mutagens and so on. But I have no time to go into all these details. Rather I want to remind you that already in E-coli bacteria there are several systems of genetic recombination. All enzyme mediated. One is homologous recombination which is also called general recombination between sequence homologies which may occur at different places of a certain length. It has been shown also that transposable genetic, mobile genetic elements are carried, various types of such elements are carried in the genome. These have the size in general of a gene of about 1,000 nucleotides and if more than one copy is in the same genome of course they can also serve for rearrangement for making duplications by general recombination for inverting the DNA in between the site of these 2 identical mobile elements. Transposition per se, of course it’s called transposition because enzyme driven, they have their own enzymes which are called transposase, they are expressed at very low rates, all of that is controlled. Most of the cells have no enzymes for these but once in a while this enzyme, a few of these enzyme molecules may be synthesised, one may carry out the transposition and transposition is taking an element, putting it elsewhere, sometimes copying an element and putting the new copy elsewhere and so on and so forth. Not all of these elements work really absolutely the same way. And the third strategy is looking for so-called specific nucleotide sequences, these must be largely homologous, actually we call them consensus sequences. Experiments which we have carried out in our lab had these sequences of a length of 26 base pairs. And it was seen that these work relatively efficiently and reproducibly. So flip-flop systems which have been described are systems which any 1 or 2 generation, a segment of DNA just gets inverted and after another 1 or 2 back and so. So if none of the 2 orientations is lethal of course the bacteria can well survive. And sometimes it occurs that the site of recombination is within reading frames and you have fusion of reading frames when you make that and if one or even more identically 2 are of the same type then you get. I see I’m a bit on the long side, I will speed up. Because I wanted to say a few more words. This is classical microbial genetics, transformation, conjugation and viruses contribute to horizontal gene transfer. Gene transfer is considerably limited by various factors including restriction modification systems and these are also enzymatically guided. And because of the horizontal gene transfer, in fact I have no T-shirt for that but you should probably think about also occasionally make a horizontal connector between some of the trees because of allowing single genes or part of genes or small group of genes to transfer from one branch to the other and that enriches. Charles Darwin had said living beings have common origins and now we can say that’s still correct but also present living organisms have a common future because we don’t know when our progeny will profit from a horizontal transfer of genes which were developed elsewhere. And this brings me, what is the qualitative difference between these different genes. I just said that horizontal transfer, you may at some occasion acquire a foreign gene, that sharing in successful developments made by others and by just one step of horizontal transfer. Like for example if bacteria were antibiotic resistant, you may enormously profit from what others have developed in past times. DNA rearrangements, I mentioned that gene fusions can occur, operon fusion is fusion of a reading frame with an alternative expression control signal. And finally the local sequence changes is an improvement, possible improvement of available biological functions. And the molecular clock which is helping to see evolutionary times and differences is still valid but it applies only to local sequence changes. While the 2 other natural strategies could perhaps sometimes offer explanations for the emergency of novel properties which evolutionary biologists always wondered how they could come about. And I mentioned genes, recombination genes, these are variation generators. I mentioned repair enzymes, these are modulators of the frequency of genetic variations, so are restriction enzymes, they keep the rate of horizontal transfer between unrelated organisms relatively low, but not zero. And always non-genetic elements contribute. I mentioned the structural flexibility of nucleotides, that can be generalised probably to other reactions. Then random encounter for example the effect of the environmental mutagen or being infected by gene vector, bringing in a gene from another kind of organism and so on. Natural reality, that’s a conclusion, natural reality takes actively care of biological evolution. Because of these evolution genes we have to realise that in our genomes as well as in E-coli genome there are 2 kinds of genes, genes to the benefit of my own life, for the fulfilment of my life and other genes which in fact work for the evolution, expansion of life and they are the sources of biodiversity. Just a few words. I mentioned before these libraries. And in genetic engineering recombinant DNA techniques can be serving to study particular genes, for example if you have an organism which is under study you mutate a particular segment of the DNA. For example by making a local sequence change or by deleting the whole segment, bringing it back, the changed DNA into the living being. And looking for changing in phenotype, you often can conclude of what a particular part of the genome is actually good for in functions. Or alternatively you can take from a donor cell a small part, half a page or a page and insert it into a cell which is under your study or you want to use for production of that particular product. And this, if you see this critically, you see that the strategies in genetic engineering are just very, very similar to natural strategies which have always occurred in living beings since a long time. And therefore we can predict that risks, even long-term risks of genetic engineering are of the similar magnitude as long-term risk of natural biological evolution as well as on the classical breeding of plants and animals. That means this risks are very low because we know from long periods of observation that in nature these risks are really quite minute if not completely zero. And that allows you to see how that gives an advance and that's my last conclusion, for any type of biotechnology classically you looked into nature, you found something and you had to use that particular organism to use it to produce it. Insulin had to be taken from animals or ideally from human beings, if possible from very closely related animals, that’s not any longer needed. You can take that insulin gene from good human being, insert it into another kind of living being, being it a micro-organism, grow it up and harvest the product. If you want you could also improve by site-directed mutagenesis, that particular product before inducing into an appropriate organism. And this is a possibility which comes from the conclusion of biological evolution. Sorry I couldn’t give you any detailed really data but in the literature you’ll find for all what I said really solid background information. Thank you for your attention.

Ich freue mich sehr, heute Morgen bei Ihnen sein zu können, und ich möchte, wie soeben erwähnt wurde, über die Evolution zu Ihnen sprechen. Nun ja, die biologische Evolution ist ebenso wie die kosmische Evolution eine sehr bedeutsame Sache, und Philosophen vor einigen Tausend Jahren und Menschen, die Religionen zu stiften begannen, stellten sich die Fragen Heute wissen wir sehr viel, und es war im 18., nein, Entschuldigung, im 19. Jahrhundert, in den 1860er Jahren, im 19. Jahrhundert, dass Biologen wie Gregor Mendel und Charles Darwin beobachteten, dass Individuen, die einer bestimmten Art angehörten, nicht immer denselben Phänotyp hatten. Das war Mendels Leistung: erkannt zu haben, dass einigen dieser Phänotypen auf die Nachkommenschaft übertragen wurden, auf die erste Generation, die zweite, die dritte usw. Das war der Beginn der Genetik. Mehr oder weniger gleichzeitig dachte Charles Darwin über die von ihm angestellten Beobachtungen nach, dass in einigen geographisch isolierten Gebieten lebende Populationen, die zu einer Art gehören, die sich auch anderswo fand, im Allgemeinen einen anderen Phänotyp haben. So gelangte er zu der Ansicht, dass die natürliche Selektion diesen bestimmten Phänotyp begünstigt: dass zum Beispiel auf einer Insel eine bestimmte Variante begünstigt ist und dass andere Phänotypen die Entwicklung anderer Varianten anderswo fördern. Man sprach damals von Varianten, und man wusste zu dieser Zeit, im Gegensatz zu heute, noch nichts von den Grundlagen der genetischen Information. Was ich hier zeige, ist das Schema der neodarwinistischen Evolution, das in der Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt wurde, um 1940. Dabei handelte es sich um die Verbindung der klassischen Genetik mit der Evolutionsbiologie. Sie sehen, dass genetische Variation - ich nenne sie nun genetische Variation statt phänotypische Variation oder Mutation Wenn es natürlich keinerlei Mutation in irgendeinem lebenden Wesen gäbe, könnte es keine Evolution geben, könnte es keine Präferenz und keine Auslese geben. Nun, auf der anderen Seite sehen Sie die natürliche Auslese. Dies ist ein komplexes Phänomen: die Art und Weise, wie Lebewesen mit der von ihnen angetroffenen Umwelt fertig werden. Und wir wissen natürlich, dass eine Umwelt hauptsächlich aus physikalischer, chemischer, nicht-lebender Materie zusammengesetzt ist und aus einer biologischen Umwelt. Das sind alle anderen Lebewesen, die zusammen im gleichen Habitat leben wie die untersuchte Art, und sie können einen gegenseitigen Einfluss aufeinander ausüben. Wir wissen, was wir im Labor tun. Ich beschäftige mich mit der Genetik der Mikroben, und ich habe den größten Teil meiner Arbeiten mit Escherichia coli durchgeführt: klar definiert, ohne irgendwelche anderen Lebewesen in der Nähe; in einem Medium, das ein guter Nährboden war. Die Mikroben hatten eine Generationszeitspanne - von einer Zellteilung zur nächsten - von 30 Minuten. Alles erfolgte also sehr schnell, und man konnte diese Dinge mühelos beobachten. Dies ist nicht, was in der Natur geschieht, noch nicht einmal in meinem Körper. Ich weiß jetzt, dass nicht nur ich, sondern dass Sie alle mindestens so viele Mikrobenzellen in ihrem Körper herumtragen wie menschliche Zellen. Und Sie fühlen sich deshalb nicht krank. Tatsächlich helfen Sie Ihnen zu leben. Wir helfen Ihnen, wir stellen uns Ihnen als Wirt bereit. Wir sollten uns also jeden lebenden höheren Organismus, und dies ist auch für die Medizin ein wichtiger Gedanke - seien es menschliche Wesen, Tiere oder Pflanzen - in Wirklichkeit als Ökosysteme aus einer Vielzahl verschiedener zusammenlebender Organismen vorstellen. Der Rest ist dann Isolation. Ich habe die Beobachtung von Charles Darwin bereits erwähnt, dass die Isolation auf Inseln vielleicht dasjenige sein konnte, was die biologische Evolution beeinflusst. Die allgemeine Schlussfolgerung, die Sie hier sehen können, lautet also: Ohne Variation würde es keine Evolution gegeben. Die genetische Variation ist demnach die treibende Kraft der genetischen Evolution oder biologischen Evolution. Die natürliche Auslese, zusammen mit den zu einer gegebenen Zeit vorhandenen genetischen Varianten und den Elternformen entscheiden darüber, in welche Richtung die Zweige am Baum der Evolution wachsen, d.h. die Richtung der Evolution. Und Isolation verändert diesen Vorgang natürlich. Die Frage lautet nun: Welches sind die gegenwärtigen genetischen Variationen? Wie treten diese Variationen auf? In vielen Lehrbüchern liest man heute noch, dass dies durch Replikationsfehler in der DNA zustandekommt oder dass es Beschädigungen der DNA sind. Ich wollte sie einladen, diese Vorstellung aufzugeben. Dies ist eine falsche Deutung der Natur. Der Prozess der Evolution ist so wichtig, und Sie sollten nicht akzeptieren, dass er auf Fehlern basiert. Wir werden sehen, wie das funktioniert. Und um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen wir uns fragen, wie wir den Prozess untersuchen. Auf dem unteren Teil hier schreibe ich in rot, dass die einzelnen Vorgänge der Entstehung von genetischen Varianten von Fall zu Fall untersucht werden sollten. Und bei Tieren und Menschen ist das natürlich aufgrund der Länge einer Generation sehr schwer. Auch aufgrund des umfangreichen Genoms. Man hat es sehr viel leichter, wenn man das an Bakterien studiert oder sogar an Viren, und ich möchte Ihnen über Ergebnisse berichten, die ursprünglich hauptsächlich in der Genetik der Mikroben gewonnen wurden. Seit etwa zwei Jahrzehnten stehen uns jedoch mehr und mehr Nukleotidsequenzen zur Verfügung. Dies sind vollständige Genome, doch man könnte ebenso daran interessiert sein, in einzelne Gene hineinzuschauen oder sogar in eine kleine Domäne auf einem einzelnen Gen, die in anderen Genen homolog ist. Und man könnte Gruppen von Genen sehen, die manchmal miteinander zusammenarbeiten. Und das lässt sich leicht erreichen, diese Art des Vergleichs der Nukleotidsequenzen, mit Hilfsmitteln der Informatik. Sie sind ebenfalls sehr effizient. Sie zeigen zwar nicht, wie dieser Prozess abläuft, sie können jedoch die Schlussfolgerungen belegen, die man aus der Genetik der Mikroben gezogen hat, und das ist sehr nützlich. Interessanterweise verfügen die E. coli-Bakterien als Genom nur über ein einziges ringförmiges DNA-Molekül, das fast 5 Millionen Basenpaare enthält. Und die Gene: Natürlich wissen wir alle seit ein paar Jahrzehnten, dass sie die Genprodukte kodieren, bei denen es sich häufig um Enzyme handelt. Dies sind hauptsächlich Proteine, manchmal auch RNA-Moleküle. Und natürlich verfügen Gene über Expressionssteuerungssignale, die sich an verschiedenen Stellen befinden, mit denen andere Proteine interagieren können, mit denen RNA interagieren kann. Und wenn man nun eine Mutation nicht länger als eine Änderung im Phänotyp, sondern als eine Änderung in der Nukleotidsequenz betrachtet, wird offensichtlich, dass es - wenn eine Mutation im Leserahmen eines Gens auftritt - zu einer Mutation im Genprodukt kommen kann oder nicht. Kommt es zu einer Mutation im Steuerungssignal der Expression, so ist es möglich, dass eine unterschiedliche Verfügbarkeit dieses Genprodukts die Folge ist. Lassen Sie mich mit diesen Kenntnissen nun weitersehen.... Ich sagte, dass eine Veränderung der Verfügbarkeit die Folge sein kann oder nicht. Warum? Weil klar geworden ist - und ich glaube, dass die meisten Biologen dieser Idee zustimmen würden -, dass Mutationen, neue Mutationen, nur sehr selten von Vorteil sind, das heißt nützlich sind für das Individuum, das die Mutation erlitten hat, und einen selektiven Vorteil in der angetroffenen Umgebung darstellen. Viel häufiger sind neue Mutationen nachteilig. Sie stellen einen selektiven Nachteil dar, der sich auf alle Lebensprozesse auswirken kann, und zwar manchmal so stark, dass er in Bakterienkulturen einfach zum Tod führt. Viele andere Mutationen haben jedoch keinen unmittelbaren Einfluss auf die Lebensprozesse. Sie werden als "stille" oder neutrale Mutationen bezeichnet. Zu einem späteren Zeitpunkt können Sie allerdings, gemeinsam mit zusätzlichen neuen Mutationen, einen Einfluss auf die künftige Evolution haben, oder auch nicht. Und wir kennen mehrere Gründe, warum einige der Mutationen still sind. Unter diesen Bedingungen - selten spontan auftretenden, günstigen Mutationen - können wir tatsächlich die Schlussfolgerung ziehen, dass es keine guten Hinweise auf eine Gerichtetheit der spontanen Mutationen gibt. Meine Bakterien verfügen über keine Sensoren, mit denen sie herausfinden können Ich sollte dieses besondere Gen auf diese besondere Weise verändern, um zum Beispiel Zucker verdauen zu können, der sich vorher nicht in meiner Umgebung befand." Das kommt nicht vor. Es ist viel zufälliger. Diese Mutation kommt zufallsmäßig sehr selten vor, vielleicht in einer oder in ein paar Zellen einer Population. Und dann wird sie selektiv begünstigt und kann schließlich den Rest der Population verdrängen. Aus denselben Gründen muss die Mutationshäufigkeit in meinen haploiden Organismen - und man kann dies auch auf die diploiden übertragen - sehr gering sein. Man möchte nicht in jeder Generation im Genom zahlreiche neue Mutationen ansammeln, weil viele von ihnen schädlich sind. Wir müssen also nach Wegen suchen, wie Mutationen auftreten und wie es der Natur gelingt, die Evolutionsraten niedrig zu halten, um das Leben einer Mehrheit der Individuen einer Population erträglich zu halten. Was Sie hier wieder auf der rechten Seite sehen, sind die Quellen der genetischen Variationen, d.h. die genetische Variation. Wir haben dort Isolation und natürliche Selektion. Doch ich kommentiere jetzt die Prozesse der genetischen Variation. Wir haben erkannt, dass es mehr als einen, ja tatsächlich eine ganze Reihe verschiedener spezifischer Mechanismen gibt, die zur genetischen Gesamtvariation in den Populationen von Mikroorganismen beitragen. Einige von ihnen treten bei der DNA-Replikation auf, während andere aufgrund der Neuanordnung innerhalb des Genoms stattfinden. Ein Teil, ein Segment des linearen Genoms kann dupliziert werden, kann gelöscht werden, kann am selben Ort invertiert werden, kann von einer Stelle an eine andere versetzt werden, usw. Und diese Prozesse, alle diese Prozesse sind experimentell erforscht, und wir wissen - zumindest bei einigen von ihnen - wie es der Natur gelingt, die Häufigkeit dieser Vorkommnisse gering zu halten. Und schließlich gibt es auch..., ist auch bekannt, dass manchmal eine Gruppe von Genen oder sogar eine funktionale Domäne, ihren Weg von einem Typ eines Organismus in einen anderen Typ finden kann. Und dann können wir sehen, wie sie sich dort verhalten und welche Auswirkungen sie haben. Sie sehen also: Es gibt eine Reihe verschiedener Mechanismen, und es ist interessant zu wissen, dass man - wenn man zum Beispiel Stämme von E. coli untersucht und dann mit einigen anderen Bakterien vergleicht - sehen kann, dass die spezifischen Mechanismen in diesen Lebewesen nicht immer absolut identisch sind. Es kann sein, dass sich dort andere Gene befinden. Doch es ist wichtig, dass es solche Gene gibt, die die Evolution unterstützen, und ich werde sogleich mehr darüber sagen. Tatsächlich kann man sehen, dass man jeden dieser beobachteten spezifischen Mechanismen einer Strategie zuschreiben kann, die ich als "natürliche Strategie der genetischen Variation" bezeichne. Und ich kann 3 Strategien benennen: Eine ist eine lokale Sequenzänderung, die andere ist eine Neuanordnung der DNA und die dritte ist der Erwerb von DNA. Ich komme also hierauf zurück. Hier haben wir bereits gesagt, dass E. coli über ein Genom verfügt, das aus etwa 5 Millionen Basenpaaren besteht. Wenn wir das mit unserer geschriebenen Sprache vergleichen, in der wir einen Buchstaben an den anderen reihen, entspricht die lokale Sequenzänderung der Änderung innerhalb eines Wortes. Man löscht einen Buchstaben in einem Wort, man fügt einen anderen ein, oder man ändert die Reihenfolge der Wörter in den Sätzen. Dies sind sehr lokale Änderungen. Bei der zweiten Strategie nimmt man ein Segment, vielleicht die Hälfte einer Seite, das man dupliziert und an seiner ursprünglichen Stelle lässt, so dass die weitere Evolution auf eine Version einwirken kann, ohne die andere zu verändern. Oder man kann das Segment in umgekehrter Reihenfolge einfügen, usw. Bei der dritten Strategie nimmt man zum Beispiel eine Seite oder einen Teil einer Seite aus einem Organismus eines anderen Typs und bringt sie in einen Organismus, der dadurch zu einem Empfängerorganismus wird. Man bezeichnet dies als horizontalen Transfer. Ich werde zum Schluss darauf noch einmal eingehen und noch einmal kurz etwas dazu sagen. Nebenbei bemerkt besteht die Bibel, das Alte und Neue Testament, in der deutschen Ausgabe aus etwas weniger als 5 Millionen Buchstaben. Das Genom von E. coli ist also ein Buch vom Umfang der Bibel. Wir Menschen haben etwa 700mal mehr Buchstaben. Das bedeutet, unser Genom ist eine Enzyklopädie mit etwa 700 Bänden. Und es gibt sogar Lebewesen, einschließlich der Pflanzen, deren genetische Bibliothek aus bis zu 1000 solcher Bücher besteht. Ich möchte jetzt noch sehr kurz etwas über.... Es tut mir leid, in 30 Minuten kann ich Ihnen die vorhandenen Beweise für das, was ich Ihnen sage, nicht liefern... Doch was Sie hier sehen ist das, was Watson und Crick bereits auf dem Cold Spring Harbour Symposium im Jahr 1953 vorgestellt haben. Tatsächlich war es in der organischen Chemie schon seit einiger Zeit bekannt, dass von organischen Verbindungen isomere Formen existieren, und das gilt auch für Nukleotide und das Adenin, das normalerweise mit Thymin ein Basenpaar bildet. Tatsächlich hat Adenin eine sehr stabile, aber auch eine kurzlebige tautomerische Form, in der sich ein Wasserstoffatom nicht an derselben Stelle wie in der Standardversion befindet, sondern etwas näher am Stickstoff. Dadurch wird natürlich die räumliche Konfiguration des Moleküls beeinflusst, und es kann sich nicht mehr spontan mit Thymin verbinden. Doch interessanterweise erwähnten Watson und Crick bereits damals, dass es im Prinzip mit Cytosin eine Bindung eingehen kann. Ändert sich dann die kurzlebige tautomerische Form wieder zur Standardform, dann kommt es zu einer Fehlpaarung. Wenn man darüber nachdenkt, sollten Fehlpaarungen natürlich nicht Fehlern zugeschrieben werden. Die Natur verwendet diese Art von struktureller Flexibilität bioorganischer Moleküle, um in seltenen Fällen etwas zu tun. Sie tut dies während der Replikation langer DNA-Moleküle, vielleicht nur wenige Male. Doch je länger das Genom ist, je mehr kann dies zu einem Problem werden, denn viele der Nukleotidänderungen können nachteilig sein. Und wir haben zwischenzeitlich gelernt, dass es in allen bisher untersuchten Lebewesen tatsächlich effektive Reparatursysteme gibt, die diese Fehlpaarungen bereits im Anfangsstadium schnell erkennen können. Diese Enzyme können größtenteils - nicht alle, aber die meisten -erkennen, welches der Elternstrang ist und welches der neu synthetisierte, in dem das fehlerhafte Nukleotid hinzugefügt wurde, das dann später zur Fehlpaarung führt. Und sie können dies reparieren. Ich glaube, dass das Leben höherer Organismen ohne diesen Mechanismus nicht möglich wäre, nicht einmal das Leben von Bakterien. Es ist also eine wunderbare Sache. Die Reparatur ist nicht 100%ig. Wenn sie es wäre, gäbe es keine lokalen, diese Art lokaler Nukleotidsubstitutionen, die ein wichtiger Beitrag zur biologischen Evolution sind. Ich denke, dass in der langen Vergangenheit der Evolution diese Reparatursysteme für ihre Aufgabe perfektioniert worden sind, so dass diese Lebewesen um uns, einschließlich unserer selbst, tatsächlich davon profitieren, dass sie diese Aufgabe erfüllen können, um die Rate der lokalen Mutagenese sehr gering zu halten. Es gibt noch andere lokale Mutationen. Zum Beispiel kann die lokale Mutagenese auch auf die Wirkung chemischer Mutagene usw. zurückzuführen sein. Ich habe jedoch keine Zeit, um auf all diese Einzelheiten einzugehen. Ich möchte Sie stattdessen daran erinnern, dass es bereits bei E. coli-Bakterien mehrere Systeme der genetischen Rekombination gibt. Alle von ihnen werden durch Enzyme vermittelt. Eine ist die homologe Rekombination. Sie wird auch als generelle Rekombination zwischen Sequenzhomologien bezeichnet, die an bestimmten Genorten einer bestimmten Länge vorkommen kann. Man hat auch zeigen können, dass das Genom transponable, mobile genetische Elemente enthält. Verschiedene Arten solcher Elemente werden vom Genom mitgeführt. Im Allgemeinen haben sie die Größe eines Gens aus etwa 1000 Nukleotiden. Befindet sich mehr als eine Kopie im selben Genom, können Sie natürlich auch zur Neuanordnung dienen, zur Herstellung von Verdopplungen durch die allgemeine Rekombination, zur Invertierung der DNA zwischen den Orten dieser identischen mobilen Elemente. Die Transposition an sich wird natürlich als Transposition bezeichnet, weil sie von Enzymen gesteuert wird. Sie verfügt über ihre eigenen Enzyme, die als Transposasen bezeichnet werden. Sie werden nur sehr geringfügig exprimiert. All das ist gesteuert. Die meisten Zellen haben keine Enzyme dafür, doch gelegentlich kann dieses Enzym oder können einige dieser Enzymmoleküle synthetisiert werden. Eines kann die Transposition durchführen, und die Transposition nimmt ein Element und versetzt es an einen anderen Ort. Manchmal geschieht dies durch das Kopieren eines Elements und dadurch, dass dies an einer anderen Stelle eingefügt wird usw. Nicht alle diese Elemente arbeiten wirklich auf absolut identische Weise. Und die dritte Strategie sucht nach sogenannten spezifischen Nukleotidsequenzen. Diese müssen größtenteils homolog sein. Tatsächlich nennen wir sie "Konsenz-Sequenzen". Bei Experimenten, die wir in unserem Labor durchgeführt haben, hatten diese Sequenzen eine Länge von 26 Basenpaaren. Es wurde erkannt, dass sie relativ effizient und reproduzierbar arbeiten. Flip-Flop-Systeme, die beschrieben wurden, sind Systeme, bei denen in der 1. oder 2. Generation ein Segment der DNA einfach invertiert wird, und nach ein oder zwei Generationen wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird usw. Wenn also keine der zwei Ausrichtungen tödlich ist, können die Bakterien sehr wohl überleben. Und manchmal kommt es vor, dass der Ort der Rekombination sich innerhalb von Leserahmen befindet und es kommt dadurch zur Fusion von Leserahmen. Wenn es dazu kommt, und wenn 1 oder - noch identischer 2 - vom selben Typ sind, dann erhält man.... Ich sehe, dass ich nicht mehr viel Zeit habe. Ich werde mich beeilen, denn ich möchte noch ein paar Worte sagen. Dies ist die klassische Genetik der Mikroben: Transformation, Konjugation und Viren tragen zum horizontalen Gentransfer bei. Der Gentransfer wird durch verschiedene Faktoren stark eingeschränkt, einschließlich durch die Systeme zur Restriktion der Modifikationen, und auch diese sind enzymatisch gesteuert. Aufgrund des horizontalen Gentransfers.... Ein T-Shirt habe ich dafür nicht - doch Sie sollten wahrscheinlich gelegentlich auch daran denken, dass es zu einer horizontalen Verbindung zwischen einigen Ästen des Lebensbaumes kommt, weil es erlaubt ist, dass einzelne Gene oder Teile von Genen oder kleine Gruppen von Genen von einem Zweig zu einem anderen übertragen werden, und das stellt eine Bereicherung dar. Charles Darwin hatte gesagt, dass die lebenden Wesen einen gemeinsamen Ursprung haben. Jetzt können wir sagen, dass dies weiterhin korrekt ist, aber dass die gegenwärtig lebenden Organismen auch eine gemeinsame Zukunft haben, denn wir wissen nicht, wann unsere Nachkommen von einem horizontalen Transfer der Gene, die sich anderswo entwickelt haben, profitieren werden. Und dies bringt mich zu der Frage: Was ist der qualitative Unterschied zwischen diesen verschiedenen Genen? Ich sagte soeben, dass horizontaler Transfer - man kann zu einem bestimmten Zeitpunkt ein fremdes Gen erlangen -, dass es die gemeinsame Nutzung erfolgreicher Entwicklungen anderer gibt, durch nur einen Schritt eines horizontalen Transfers. Wenn Bakterien beispielsweise gegen Antibiotika resistent waren, kann man enorm von dem profitieren, was andere in der Vergangenheit entwickelt haben. DNA-Neuanordnungen. Ich erwähnte, dass es zur Fusion von Genen kommen kann. Operon-Fusion ist die Fusion eines Leserahmens mit einem alternativen Expressionssteuerungssignal. Und schließlich sind die lokalen Sequenzänderungen eine Verbesserung, eine mögliche Verbesserung der verfügbaren biologischen Funktionen. Die molekulare Uhr, die evolutionäre Zeiten und Unterschiede zu messen hilft, ist noch gültig, doch sie gilt nur für lokale Sequenzänderungen. Während die zwei anderen natürlichen Strategien - vielleicht - manchmal Erklärungen für das Auftreten von neuen Eigenschaften bieten könnten, bei denen sich Evolutionsbiologen stets gefragt haben, wie sie haben entstehen können. Und ich habe Gene erwähnt, die Rekombination von Genen, dies sind Variationsgeneratoren. Ich erwähnte Reparaturenzyme. Dies sind Modulatoren der Häufigkeit genetischer Variationen. Dasselbe sind Restriktionsenzyme. Sie halten die Rate des horizontalen Transfers zwischen nichtverwandten Organismen relativ gering, doch von Null verschieden. Und nichtgenetische Elemente leisten immer einen Beitrag. Ich erwähnte die strukturelle Flexibilität von Nukleotiden. Das kann wahrscheinlich bezüglich anderer Reaktionen verallgemeinert werden: die Zufallsbegegnung mit der Wirkung eines Mutagens der Umwelt oder die Infektion mit einem Genträger, der ein Gen von einer anderen Art von Organismus mitbringt usw. Die Wirklichkeit der Natur, das ist die Schlussfolgerung, die Wirklichkeit der Natur spielt eine aktive Rolle bei der biologischen Evolution. Aufgrund dieser Evolutionsgene müssen wir erkennen, dass sich in unseren Genomen, ebenso wie in den Genomen von E. coli, zwei Arten von Genen befinden: Gene, die meinem eigenen Leben dienen, für die Erfüllung meines Lebens, und andere Gene, die für die Evolution arbeiten, für die Erweiterung des Lebens. Sie sind die Quelle der biologischen Vielfalt. Nur noch ein paar Worte zum Schluss. Ich habe vorhin diese Bibliotheken erwähnt. Und im Genetic Engineering können DNA-Rekombinationstechniken dazu dienen, bestimmte Gene zu studieren. Wenn Sie zum Beispiel einen Organismus untersuchen, mutieren Sie ein bestimmtes Segment der DNA, etwa, indem Sie eine lokale Sequenzänderung vornehmen, oder indem Sie das gesamte Segment löschen oder die gelöschte DNA wieder in die Lebewesen zurückbringen, und indem Sie nach Änderungen des Phänotyps Ausschau halten. Sie können häufig erschließen, wozu ein bestimmter Teil des Genoms in den Funktionen dient. Oder Sie können einen kleinen Teil einer Spenderzelle nehmen, eine halbe Seite oder eine Seite, und ihn in eine von Ihnen untersuchte Zelle bringen. Oder Sie möchten ihn zur Herstellung dieses bestimmten Produkts verwenden. Und dies, wenn Sie bei dieser Einfügung kritisch vorgehen, zeigt, dass die Strategien im Genetic Engineering denjenigen, die in den Lebewesen seit sehr langer Zeit immer schon verwendet wurden, sehr, sehr ähnlich sind. Und daher können wir voraussagen, dass Risiken, selbst längerfristige Risiken des Genetic Engineering, eine vergleichbare Größe haben wie die längerfristigen Risiken der natürlichen biologischen Evolution sowie der klassischen Züchtung von Pflanzen und Tieren. Dies bedeutet, dass diese Risiken sehr niedrig sind, denn wir wissen aus langen Zeiträumen der Beobachtung, dass in der Natur diese Risiken tatsächlich sehr gering sind, wenn nicht sogar überhaupt nicht bestehen. Und das lässt uns erkennen, wie das zu einem Vorteil führt und das ist meine letzte Schlussfolgerung, denn traditionellerweise schaute man für jede Art von Biotechnologie in die Natur. Man suchte nach etwas, und man musste einen bestimmten Organismus verwenden, um dies herzustellen. Insulin musste von Tieren oder idealerweise von Menschen genommen werden, nach Möglichkeit von sehr eng verwandten Tieren. Dies ist jetzt nicht mehr erforderlich. Sie können das Gen für Insulin aus einem gesunden Menschen nehmen, es in ein beliebiges anderes Lebewesen einfügen, sei es auch ein Mikroorganismus, den Organismus vermehren und das Produkt ernten. Wenn Sie möchten, könnten sie das bestimmte Produkt auch durch eine gezielte Mutagenese verbessern, bevor sie es in den entsprechenden Organismus einführen. Und dies ist eine Möglichkeit, die sich als Schlussfolgerung aus der biologischen Evolution ergibt. Es tut mir leid, dass ich Ihnen keine detaillierten, konkreten Daten geben konnte. In der Literatur werden Sie jedoch für alles, was ich gesagt habe, solide Hintergrundinformationen finden. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Werner Arber (2011)

Updated Notions on Darwinian Evolution

Werner Arber (2011)

Updated Notions on Darwinian Evolution

Abstract

Charles Darwin had based his theory of biological evolution on the observation that phenotypic variants of a given species can sometimes over-grow their parental population, and he attributed this to selective advantage, i.e., to the impact of natural selection. It later became obvious that stable, inheritable, phenotypic variants are spontaneous mutants with altered DNA sequences. Since a few decades one can explore the molecular mechanisms which generate genetic variants. Interestingly, many kinds of specific molecular mechanisms contribute to the overall generation of genetic variants. These mechanisms can be classified into three natural strategies of genetic variation: (1) Local changes in the nucleotide sequence, (2) intragenomic rearrangement of DNA segments, and (3) acquisition of a foreign DNA segment by horizontal gene transfer. These investigations revealed that a number of specific gene products acting as variation generators and/or as modulators of the rates of genetic variation are at work together with non-genetic elements, such as intrinsic physico-chemical properties of molecules, random encounter and environmental mutagens. In conclusion: Natural reality takes actively care of biological evolution. Philosophical and practical aspects of this acquired knowledge will be discussed.

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