Werner Arber (2014) - Biological Evolution in the Context of Cosmic Evolution and of Cultural Evolution

After reconsidering the very long time periods in cosmic evolution, we will focus our attention to the evolutionary development of living organisms on our planet Earth

I'm glad to be with you and my talk will deal with conception aspects of evolution, with particular emphasis on biological evolution. Astrophysicists tell us that lifetime of solar systems is limited to in the order of 6,000 million years. That’s a long period of time. We are in our solar system about that half time. So that means the solar system, its planetary systems, and actually our planet the earth also. One has some indications, of course that’s very difficult to know, when did life start on our planet. So far we have no absolute scientifically sure way to understand the start of life. You heard a talk of my colleague Hamilton Smith and he is investigating how many different genes are required; and as you heard the other day, a few hundred would probably be the minimum. So how these come together in a membrane and work - work means divide periodically to make two cells from one. And also as NASA actually intends to look into other exoplanets, at not only self-division, reproduction but also evolution of that life. So I concern my talk to biological evolution. What you see here is the 3 pillars of neo-Darwinian evolution. On the left hand you see genetic variation is actually needed; without any genetic variation, that means without occasional mutations there would be no progress of life forms, no evolution. So that’s... genetic variations are the driving force of evolution. And the parental forms at any time, the parental forms and novel variants are submitted to natural selection. And natural selection means how do individuals deal with the encountered environment. The environment being on the one hand physico-chemical situations and on the other hand all other living forms which are in this same environment. And the third pillar to which Darwin made particular attention to is the geographic isolation, but as we all know there is also reproductive isolation. Not any living being can reproduce with another one, it needs some other specificities. So while natural selection directs the evolution on the tree then the isolation is a modulator of the rates of evolution and of the possibilities which are there. I did most of my work with bacteria, actually E. coli, and with a few of its bacterial viruses which we call bacteriophages. So what you see here is: these bacteria have a circular DNA molecule of a very big size and of course there a number of genes, I just drew one of them. So if ever there is a change in the nucleotides sequence, double-stranded symbolically indicated there, AT and GT base pairs; whenever there’s a change in such sequences then one can see whether this is a mutation which manifests itself in a phenotype. We have to be aware that on the other hand it is also possible that the expression control signal may be affected by such a change, and that the product will not be altered but expressed with different rates, either higher rates or lower rates. Just as a reminder: Bacteria - there are many kinds of bacteria – and usually their genomes correspond in their linear instruction which you can compare with our writing, with a book. Some of these books are smaller, some are larger and E. coli, the book of E. coli, corresponds roughly to the bible, Old and New Testament together; so that’s a lot. While higher organisms - plants, animals, human beings - have hundreds... have encyclopaedias with usually several hundred of volumes corresponding to the content of the bible; that’s tremendous. So you and me we have in the order of 700 volumes in our genetic encyclopaedia. It has been generally accepted, for quite some time, that if you define a mutation as an alteration of the sequence of nucleotides, relatively rarely a new mutation is favourable, that means useful, and gives selective advantage upon natural selection. More often a novel mutation may be unfavourable, inhibiting life processes to some degree, sometimes being completely lethal, giving therefore selective disadvantage. We shouldn’t forget very often a change in nucleotide sequences is without any immediate influence on the phenotypes on the life processes. These are silent neutral mutations. If you consider that kind of consensus among biologists then you see that there is no good evidence for a directedness of single spontaneous mutations. Their actinism would mean that my bacteria should have a sensor: oh, my environment is now different from what it was before, I have some hard time to find my way and I should make a mutation in this particular gene in this particular way For these reasons mutation frequencies must be low; I will come back later on frequency considerations. Now, what I show you here is what I often in my talks give at the end as a summary, but since my time is limited to 30 minutes I try to go fast. Here you see sources of mutations. Often mutations occur upon replication; I will show you one example later on. Mutations can be by rearrangements intragenomically - I will show you also how that can occur – and a recombination, reshuffling; these are natural mutagens, in fact chemical and physical mutagens in the environment, sometimes internal in my body. And of course there is still another possibility, that by horizontal gene transfer DNA from another type of organism is accepted. What you see here is that you can summarise that nature uses 3 different strategies of genetic variation: local mutagenesis, one or a few adjacent nucleotides, the DNA rearrangement and DNA acquisition. DNA rearrangement is for example recombination between homologous segments - that’s general recombination. Transposable elements go from one site in the genome to another. Site specific reshuffling that can be... reshuffling means you delete one segment of the DNA or you duplicate a segment of the DNA, you invert where it is a segment of DNA all that. And of course transposition is also reshuffling. And that can give an improvement of available capacities, capacities are differently ordered, perhaps higher expression after some rearrangement. And if natural selection prefers that then it's maintained and can eventually overgrow the parental population. It gives also rise to gene fusions I will show you one example later on; operon fusion I mentioned already and so on. Local sequence change: Probably the most relevant such sequence change is substitution of one nucleotide by another nucleotide. I will give you one example, small deletion 1 or 2 nucleotides are lost or it can both... These are a little less frequently seen. That, however, gives an improvement of available biological functions and this serves as molecular clock. Very rarely I do expect that this gives novel biological activities. And the third strategy, which is the acquisition; we will see that we learnt a lot from microbial genetics when the problem of horizontally transferred antibiotic resistances came up. And since then it has become clear that this is natural strategy which is also occasionally seen in higher organisms. That’s a sharing in successful developments made by others. So these 2 strategies can explain difficult emergences of novel properties which are otherwise difficult to explain. That’s my first example for a local mutagenesis. If you go back to the library and look whether you find the Cold Spring Harbor Symposium volume from the year 1953 In the Cold Spring Harbour volume you’ll see that they expect that nucleotides like adenine may sometimes for a very short period, fractions of a second, have short-living isomeric forms, which we call tautomers. That’s true... you learnt that in organic chemistry, that’s the basic knowledge. In this particular example this hydrogen atom can all of a sudden be down there and then this tautomeric form doesn’t pair any longer with thymine but by chance it pairs with cytosine. But when in a fraction of a second the replication forecast already moved by, then when it goes back to normal, the standard form, there is a cytosine here instead of a thymine and that may be a mispairing. Since the longer a genome is the more that kind of mutagenesis could happen. So far studied organisms, all of them have been shown to have repair systems which are enzymatic repair, which come behind the replications fork and look whether everything went fine. And if they see such a mispairing after the standard form has been acquired again by adenine, then this is obviously to be repaired, seriously repaired, and they do it with 100% efficiency. Occasionally, only occasionally, a substitution is maintained that makes sense from the evolutionary point of view. I think in the long period since life evolved on the planet that has been fine-tuned to do it properly, because otherwise, if there would be too many of such mutations, life would not be possible. If there were none it would be much less easy to progress in evolution. You can see there are other possibilities but I have to run ahead. What I want to show you here we have started... we have done experiments with E. coli bacteria and its bacteriophages. The bacteriophage HP1 has an interesting system in which site-specific inversion occurs if this 26-basepair long sequence if such 2 systems are carried out like here for example in inverted situations, periodically an inverter returns that whole segment at the site, fuses it again and then back. And if you grow that bacteriophage which has such a system in its bacteriophage tail fibre which determines the whole string, then interestingly you see in the progeny of that period you have half of the phage particle has one whole string and the other half another one. And structure analysis showed that there is... the leading frame for that tail fibre is a constant part and a variable part. Here you have the V part, gives one whole string, and if then the whole thing inverts then you have the V' and that’s another whole string and then goes back and forth all the time. These systems are called flip-flop systems. So it's a wonderful system which fuses functional domains with other functional domains and gives different functions. This is just as an example, I cannot devote much more time; but what I wanted to show you with the same system which is called Sin. A long-term collaborator with us, Shigeru Iida, has constructed in fact a very small plasmid, very small, with some selective antibiotic resistance genes; and 1 for canomycin which has no promoter to express that gene and only 1 of these 26 base player consensus sequences, which is shown here. And then we grew that plasmid in E. coli bacteria for relatively long periods of time and then looked whether plasmids were there which provided to its hosts canomycin resistance; that would mean that canomycin resistance may have received a promoter. And that is possible if there is an inversion between the single site for recombination with 1 of several identified sites, secondary sites. For example if it would go to D, then you have the blue canomycin resistance just behind the C gene and it's driven by that promoter, giving to the cell canomycin resistance. Then if you sequence all these possible sites you will see there is no rule. What I have given in colour is what corresponds to the consensus. This secondary site inversions occur with very low frequency, between 10^-4 and 10^-5. So for me this is another natural strategy to do something with a protein which is quite well expressed, this invertase. But it can do it occasionally at other sites than the consensus. Of course there are also other possibilities over here, where you can imagine between this and this the whole segment turns around. Then you have the canomycin resistance gene just over there behind that promoter. So that’s what we found. So that’s interesting, there are a number. That shows that mutagenesis, also driven by what I call variation generators, is first of all rare, and secondly principally it goes at various sites, but interestingly what we have sequence... we have a sequence total of over 20 of these things. And you see that some of them are found one... some of these are found only once, others a few times, a few times again and so on. So there is some statistical reproducibility in that. And it makes us think that perhaps - why not? that a short-living isomeric form of the enzyme may be responsible to do this from case to case in different ways rather than appropriately. And in textbooks - I mentioned general remarks that many textbooks say that mutagenesis often is in fact errors in the replication. I think this understanding of nature is completely wrong; I would like to correct that. So this is a reminder of bacterial genetics: transformation with which DNA was identified as the carrier of genetic information; conjugation by nucleotide base pairing, no by cell-cell base pairing, forming pairs; and virus-mediating, as natural gene vectors mediating transduction. Of course this morning we heard that membranes do not easily accept input of foreign DNA, like DNA molecules, there must be specificities. Surface compatibilities limit gene acquisition, restriction-modification systems which we have studied in the 1960s and later on. And functional compatibilities: that when the gene gets expressed it must not destroy the harmony of the cell. Strategy of acquisition in small steps, because otherwise it wouldn't function. This is a reminder of how a restriction modification goes. Very rapidly, on the left you have a K strain and on the right a 0 strain. As long as you say on the K the efficiency of these viruses is 1 reinfection, however, if you go back to a strain not providing K modification then it is only 10^-4 and can become modified later on and stay in K. Here, just a reminder that restriction enzymes can act from case to case quite differently. Those enzymes which are cutting at the recombination sequences shown in red are very reproducible. These are the ones which many of you use daily in your laboratories. And there are hundreds of such strains each one having its particular recognition sequence. By the way, the bacterial cells know how to protect their own genome against their own restriction enzymes. They do that by nucleotide methylation and in this particular EcoRI system: the nucleotides are marked with a star, the A in each strand receives such a modification and then the DNA is not sensitive to restriction. If there is methylation elsewhere then of course it's cut. The type I - that are those enzymes which we had studied in the beginning - these are more complex. They identify a non-methylated site, again the A marked with a star and if there is no methyl group then the DNA starts to rope through, I drew it a little bit differently; and often there are more than 1 of these sequences on DNA molecules which are penetrating into the cell. It starts to rope through at another time, and whenever they run into each other they stop and cut the DNA. That’s another of nature's strategies how to do it and give diversity. Generally, I always observe nature is extremely inventive - don’t believe that an identified mechanism is valid for all the processes. Nature always finds other ways also to reach the particular goal which it wants to reach. So this is the tree of evolution, Darwin has drawn that, saying that the living beings which are up here have a common origin. I still agree with that, but in addition I say that they have also a common future, because these red arrows are possibilities, occasionally non-planned, that DNA gets transferred from one of the branches to another one, a small part - a gene or part of a gene or a few genes, horizontal transfer. Then the living being has a common future. These are conclusions: there are genes but also non-genetic elements like isomeric forms which I mentioned, random encounter, environmental mutagens which contribute to occasional mutagenesis. And of course also the modulators of the frequencies, I mentioned the repair enzymes to identify wrong base pairing. So 2 antagonistic principles: one principle to favour evolution, the other to limit evolution, genetic variation. And what we find in the living organisms today is the result of a long-term past evolution to fine-tune all these functions for the purpose they have. The genome of my bacteria - I'm convinced my genome has a duality, it has genes for my own life from conception to my death, including the developmental genes; and a few genes work for the benefit at the population level for evolution and that’s the source of expansion of forms of life/biodiversity, while these others are for the fulfilment of the individual lives. So this is a concept which I think would be important to know by everyone living on that planet. I see the time is over, I stop here. Thank you for your attention.

Ich freue mich, bei Ihnen zu sein. Mein Vortrag wird sich mit konzeptionellen Aspekten der Evolution beschäftigen, insbesondere mit der biologischen Evolution. Die Astrophysiker lehren uns, dass die Lebensdauer von Sonnensystemen auf eine Zeitspanne von 6000 Millionen Jahren begrenzt ist. Das ist eine lange Zeit. Unser Sonnensystem ist etwa halb so alt, das bedeutet: das Sonnensystem, sein Planetensystem und natürlich auch unser Planet Erde. Es gibt einige Anzeichen dafür - natürlich ist es sehr schwer, das zu wissen -, wann das Leben auf der Erde begonnen hat. Bis heute verfügen wir über keine wissenschaftlich absolut sichere Erklärung der Entstehung des Lebens. Sie haben einen Vortrag meines Kollegen Hamilton Smith gehört. Er untersucht die Frage, wie viele verschiedene Gene dazu erforderlich sind; und wie Sie neulich gehört haben, werden wahrscheinlich mindestens ein paar Hundert Gene dafür benötigt. Wie also finden sich diese innerhalb einer Membran zusammen und arbeiten - wobei arbeiten bedeutet: sich in regelmäßigen Zeitabständen teilen, um aus einer Zelle zwei Zellen entstehen zu lassen. Und die NASA hat tatsächlich den Plan, andere Exoplaneten zu untersuchen, nicht nur bezüglich Selbstteilung und Reproduktion, sondern auch der Evolution dieses Lebens. Also, ich werde mich in meinem Vortrag auf die biologische Evolution beschränken. Was Sie hier sehen, sind die drei Säulen der neo-darwinistischen Theorie der Evolution. Auf der linken Seite sehen Sie die tatsächlich erforderliche genetische Variation; ohne jegliche genetische Variation, das heißt: ohne gelegentliche Mutationen, gäbe es keinen Fortschritt der Lebensformen, keine Evolution. Das heißt also ... genetische Variationen sind die treibende Kraft der Evolution. Und die Elternformen werden jederzeit, die Elternformen und die neuen Varianten werden der natürlichen Auslese unterworfen. Und die natürliche Auslese bedeutet: Wie werden die Individuen mit der Umwelt fertig, die sie antreffen. Die Umwelt besteht einerseits aus den physikalisch-chemischen Gegebenheiten und auf der anderen Seite aus all den anderen Lebensformen, die sich in derselben Umgebung befinden. Und der dritte Faktor, dem Darwin besondere Aufmerksamkeit widmete, ist die geographische Isolation. Doch wie wir alle wissen, gibt es auch eine reproduktive Isolation. Nicht jedes Lebewesen kann sich mit einem anderen fortpflanzen: dazu müssen bestimmt Anforderungen erfüllt sein. Während also die natürliche Auslese der Evolution auf dem Baum die Richtung gibt, ist die Isolation ein Faktor, der die Evolutionsrate moduliert, wie auch die Möglichkeiten, die es gibt. Ich habe die meisten meiner Forschungsarbeiten an E. coli und einer Reihe seiner bakteriellen Viren durchgeführt, die wir als Bakteriophagen bezeichnen. Was Sie hier sehen, ist also: Diese Bakterien haben ein kreisförmiges DNA-Molekül von beträchtlicher Größe, und natürlich gibt es eine Reihe von Genen: ich zeichne nur eines von ihnen ein. Wann immer es also eine Änderung in der Nukleotidsequenz gibt - deren Doppelsträngigkeit hier symbolisch dargestellt ist: AT und GT sind die Basen, die dabei im Spiel sind - wann immer es eine Änderung in dieser Sequenz gibt, dann kann man sehen, ob dies eine Mutation ist, die sich in einem Phänotyp zu erkennen gibt. Mir müssen uns dessen bewusst sein, dass andererseits das Steuersignal der Expressionskontrolle durch eine solche Veränderung betroffen sein kann, und dass das Produkt nicht verändert, sondern mit einer anderen Häufigkeit exprimiert wird, einer größeren oder geringeren. Nur zur Erinnerung: Bakterien - es gibt viele verschiedene Arten von Bakterien -, und normalerweise ihre Genome, entsprechen in der linearen Form ihrer Anweisungen, die man mit unserem Schreiben vergleichen kann, einem Buch. Einige dieser Bücher sind dünner, andere dicker, und E. coli, das Buch von E. coli, entspricht ungefähr der Bibel, dem Alten und Neuen Testament zusammen genommen. Das ist schon recht umfangreich. Während höhere Organismen - Pflanzen, Tiere, Menschen - über Hunderte ... über ganze Enzyklopädien mit normalerweise Hunderten von Bänden [genetischen Materials] verfügen, die jeweils den Umfang der Bibel haben; das ist ein ungeheurer Umfang. Also, Sie und ich, wir haben um die 700 Bände in den Enzyklopädien unserer Gene. Es wird, seit einiger Zeit, allgemein akzeptiert, dass eine Mutation, wenn man sie als Änderung der Nukleotidsequenz bezeichnet, dass eine neue Mutation relativ selten vorteilhaft, d. h. nützlich ist und zu einem Vorteil bei der natürlichen Zuchtwahl führt. Viel häufiger sind neue Mutationen ungünstig, hemmen sie die Lebensprozesse in einem bestimmten Maß, manchmal sind sie tödlich, führen also zu einem selektiven Nachteil. Wir sollten nicht vergessen, dass eine Änderung der Nukleotidsequenz häufig ohne einen unmittelbaren Einfluss auf den Phänotyp, auf die Lebensprozesse ist. Dies sind stille, neutrale Mutationen. Wenn Sie diese Art von Konsens unter den Biologen bedenken, dann sehen Sie, dass es keine guten Hinweise auf eine Gerichtetheit der einzelnen, spontanen Mutationen gibt. Ihre Gerichtetheit würde bedeuten, dass meine Bakterien über einen Sensor verfügen sollten: Ich stehe vor dem Problem, meinen Weg zu finden, und ich sollte in diesem bestimmten Gen auf diese bestimmte Weise eine Mutation vornehmen - so funktioniert die Natur nicht, sondern es ist eher so, dass neue Mutationen zufälliger sind. Aus diesen Gründen muss die Häufigkeit von Mutationen gering sein. Ich werde später noch auf die Häufigkeit von Mutationen zurückkommen. Nun, was ich Ihnen hier zeige, ist das, was ich bei meinen Vorträgen am Ende oft als Zusammenfassung gebe, aber da meine Zeit auf 30 Minuten begrenzt ist, versuche ich mich zu beeilen. Hier sehen Sie Quellen für Mutationen. Häufig kommt es bei der Replikation zu Mutationen. Ich werde Ihnen später ein Beispiel dafür zeigen. Mutationen können durch eine veränderte Anordnung innerhalb des Genoms entstehen - ich werde Ihnen auch zeigen, wie es dazu kommen kann - und durch ein Rekombination, ein Mischen [der Gene]. Dies sind natürliche Mutagene, und zwar chemische und physikalische Mutagene in der Umgebung, manchmal befinden sie sich auch im Inneren des Körpers. Und natürlich gibt es noch eine weitere Möglichkeit, die darin besteht, dass bei horizontalem Gentransfers DNA einer anderen Art von Organismus aufgenommen wird. Was Sie hier sehen, ist: dass sich zusammenfassend sagen lässt, dass die Natur 3 verschiedene Strategien der genetischen Variation verwendet: lokale Mutagenese, ein oder wenige angrenzende Nukleotide, die Neuanordnung von DNA und der Erwerb von DNA. Die Neuanordnung von DNA ist zum Beispiel die Rekombination zwischen homologen Segmenten - das ist die allgemeine Rekombination. Vertauschbare Elemente wandern von einer Stelle des Genoms zu einer anderen. Eine ortsspezifische "Umstrukturierung" kann .... Umstrukturierung bedeutet, dass ein Segment der DNA gelöscht oder verdoppelt wird, dass es in seiner Position in umgekehrter Reihenfolge wieder eingebaut wird, all das. Und natürlich ist die Transposition ebenfalls eine Art von Umstrukturierung. Und dies kann zur Verbesserung der verfügbaren Kapazitäten führen, die Kapazitäten sind verschieden geordnet, vielleicht kommt es nach einer Neuanordnung zu einer stärkeren Exprimierung. Und wenn die natürliche Selektion dies bevorzugt, dann wird die Änderung beibehalten und sie kann sich schließlich über die gesamte Elternpopulation ausbreiten. Sie führt auch zu Genfusionen. Später werde ich Ihnen ein Beispiel dafür zeigen; zu einer Operonfusion, die ich bereits erwähnte, usw. Lokale Sequenzänderung: Die wahrscheinlich relevanteste derartige Sequenzänderung ist der Austausch eines Nukleotids durch ein anderes. Ich gebe Ihnen ein Beispiel: kleine Deletion, 1 oder 2 Nukleotide gehen verloren, oder es kann beides .... Diese Art von Mutation sieht man weniger häufig. Das führt jedoch zu einer Verbesserung der verfügbaren biologischen Funktionen, und dies dient als molekulare Uhr. Sehr selten, vermute ich, ergibt dies neue biologische Aktivitäten. Und die dritte Strategie, d. h. der Erwerb. Wir werden sehen, dass wir sehr viel aus der Genetik der Mikroben gelernt haben, als sich uns das Problem der horizontalen Übertragung der Resistenz gegen Antibiotika stellte. Und in der Zwischenzeit ist klar geworden, dass es sich hierbei um eine natürliche Strategie handelt, die gelegentlich auch bei höheren Organismen zu beobachten ist. Hierbei handelt es sich um die gemeinsame Nutzung von anderen überstandenen, erfolgreichen Entwicklungen. Diese beiden Strategien können also das Auftauchen ansonsten schwer erklärbarer neuer Eigenschaften erklären. Das ist mein erstes Beispiel für eine lokale Mutagenese. Wenn Sie in die Bibliothek gehen und nachschauen, ob Sie den Band des Cold Spring Harbor Symposions von 1953 finden - das wurde in dem Jahr abgehalten, in dem das erste Doppelhelix-Modell dieser Autoren in Nature veröffentlich wurde. In dem Cold Spring Harbor Band sehen Sie, dass man erwartete, dass Nukleotide wie Adenin manchmal Das stimmt .... Man lernt das in der organischen Chemie, das ist Grundwissen. In diesem besonderen Beispiel kann sich dieses Wasserstoffatom plötzlich hier unten befinden, und dann bindet sich diese tautomerische Form nicht mehr mit Tymin, aber zufällig geht es eine Bindung mit Cytosin ein. Aber wenn nach dem Bruchteil einer Sekunde die Replikationsgabel sich bereits weiterbewegt hat, dann befindet sich hier statt eines Thymin, ein Cytosin, und dabei kann es sich um eine falsche Paarung handeln. Je länger ein Genom ist, umso häufiger kann diese Art der Mutagenese vorkommen. Bislang haben alle untersuchten Organismen über Reparatursysteme verfügt, bei denen es sich um enzymatische Reparaturen handelt, die sich an die Replikationsgabel anschließen und prüfen, ob alles gut gelaufen ist. Und wenn sie eine solche fehlerhafte Paarung erkennen, nachdem Adenin wieder seine Standardform angenommen hat, dann muss dies offensichtlich repariert werden, gründlich repariert, und sie tun dies ohne 100%iger Effizienz. Manchmal, nur manchmal, bleibt eine Substitution erhalten, die aus evolutionärer Sicht sinnvoll ist. Ich denke, dass das in dem langen Zeitraum, seit das Leben auf dem Planeten entstanden ist, feinabgestimmt wurde, um dies richtig zu machen. Wenn es zu viele solcher Mutationen gäbe, wäre Leben nicht möglich. Gäbe es gar keine, wäre der Fortschritt in der Evolution wesentlich weniger einfach. Sie können sehen, dass es noch andere Möglichkeiten gibt, aber ich muss schnell weitergehen. Was ich Ihnen hier zeigen möchte... Wir haben damit begonnen.... Wir haben Experimente mit E. coli und seinen Bakteriophagen gemacht. Der Bakteriophage P1 verfügt über ein interessantes System, bei dem eine positionsspezifische Inversion stattfindet, wenn diese 26-Basen-lange Sequenz - N kann ein beliebiges Nukleotid sein, die anderen müssen die richtigen sein; wenn zwei solcher Systeme, wie hier zum Beispiel, in invertierten Situationen ausgeführt werden, bringt in regelmäßigen Abständen eine Invertase das gesamte Segment an diese Position zurück, verbindet es wieder, und beginnt wieder von vorn. Und wenn Sie diesen Bakteriophagen, der solch ein System in seinen Schwanzfasern hat, die den gesamtem Strang bestimmen, kultivieren, dann sieht man in den Nachkommen dieses Zeitabschnitts interessanterweise, dass eine Hälfte der Phagenpartikel einen vollständigen Strang hat, und die andere Hälfte einen anderen. Die Strukturanalyse ergab, dass ... der führende Rahmen für diese Schwanzfaser ein konstanter Teil und ein variabler Teil ist. Hier haben Sie den V-Teil, ergibt einen vollständigen Strang, und wenn sich dann die ganze Sache umkehrt, dann erhalten Sie V', und das ist ein weiterer vollständiger Strang, und das geht dann die ganze Zeit hin und her. Diese Systeme werden als Flip-Flop-Systeme bezeichnet. Es ist also ein wunderbares System, das funktionale Domänen miteinander verbindet und unterschiedliche Funktionen liefert. Dies soll lediglich als Beispiel dienen, ich kann ihm nicht mehr Zeit widmen. Doch was ich Ihnen mit dem selben System zeigen wollte, das Sin genannt wird: Ein langjähriger Mitarbeiter von uns, Shigeru Iida, hat ein sehr kleines Plasmid konstruiert, ein sehr kleines, das einige Gene für selektive Antibiotika-Resistenz enthält, sowie eines für Canomycin, das keinen Promoter zur Expression dieses Gens hat und nur eine von diesen 26-Basenpaar-Konsensus-Sequenzen, die hier dargestellt ist. Und dann kultivierten wir dieses Plasmid für relativ lange Zeitspannen in E. coli Bakterien und untersuchten dann, ob Plasmide vorhanden waren, die ihrem Host Canomycin-Resistenz gaben. Das würde bedeuten, dass Canomycin-Resistenz vielleicht einen Promotor erhalten hat. Und das ist möglich, wenn es zwischen der einen Position für eine Rekombination und einer der mehreren anderen erkannten Positionen, sekundären Positionen, zu einer Inversion kommt. Wenn sie beispielsweise zu D ginge, dann hat man die blaue Canomycin-Resistenz gerade hinter dem C-Gen und sie wird von diesem Promotor gesteuert, der der Zelle so Canomycin-Resistenz verleiht. Wenn Sie dann alle diese möglichen Positionen sequenzieren, sehen Sie, dass hier keine Regel vorliegt. Was ich in Farbe dargestellt habe, entspricht dem Konsens. Diese Inversionen der sekundären Positionen kommen mit geringer Häufigkeit vor, zwischen 10^-4 und 10^-5. Also, für mich ist eine weitere natürliche Strategie, etwas mit einem Protein zu tun, das sehr gut exprimiert wird, diese Invertase. Doch sie kann es gelegentlich an anderen Positionen als den dem Konsens entsprechenden tun. Natürlich gibt es hier auch noch andere Möglichkeiten, wo Sie sich vorstellen können, dass zwischen diesem und diesem sich das ganze Segment umdreht. Dann haben Sie das Gen für die Canomycin-Resistenz gerade hier hinter dem Promotor. Das haben wir herausgefunden. Also, das ist interessant, es gibt eine Reihe. Dies zeigt, dass die Mutagenese auch durch etwas gesteuert wird, was ich als Variationsgeneratoren bezeichne, zuerst einmal sehr selten ist, und dass sie zweitens an verschiedenen Positionen erfolgt. Doch interessanterweise, was wir als Sequenz haben.... Wir haben eine Gesamtsequenz von über 20 dieser Dinge. Und Sie sehen, dass einige von Ihnen nur.... einige von ihnen nur einmal vorkommen, andere mehrere Male, noch ein paarmal, usw. Es liegt hier einiges an statistischer Reproduzierbarkeit vor. Und dies lässt uns annehmen - warum nicht? Dies ist jedoch absolut schwer zu beweisen -, dass eine kurzlebige, isomerische Form des Enzyms dafür verantwortlich ist, dies von Fall zu Fall auf verschiedene Weise zu tun, statt auf angemessene Weise. Und in Lehrbüchern - ich habe in allgemeinen Bemerkungen darauf hingewiesen, dass viele Lehrbücher behaupten, die Mutagenese bestehe in Wirklichkeit häufig aus Fehlern in der Replikation. Ich denke, dieses Verständnis der Natur ist vollkommen falsch, ich möchte es korrigieren. Dies ist eine Erinnerung an die Genetik der Bakterien: Transformation, bei der DNA als Träger der genetischen Information erkannt wurde; Konjugation durch Nukleotidbasenpaarung, nicht durch Zelle-zu-Zelle-Basenpaarung, Paarbildung; und Vermittlung durch Viren, als natürliche Genüberträger, die die Transduktion vermitteln. Heute Morgen erfuhren wir natürlich, dass Membranen fremde DNA, wie etwa DNA-Moleküle, nicht leicht hindurchlassen: dazu müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Oberflächenkompatibilitäten begrenzen den Generwerb, Restriktionsmodifikationssysteme, die wir in den 1960er Jahren und später studiert haben. Und funktionale Kompatibilitäten: dass ein Gen, wenn es exprimiert wird, die Harmonie der Zelle nicht zerstören darf: Strategie des Erwerbs in kleinen Schritten, da es anders nicht funktionieren würde. Dies ist eine Erinnerung daran, wie die Restriktionsmodifikation funktioniert. In aller Kürze: auf der linken Seite haben Sie eine K-Linie und auf der rechten eine 0-Linie. Solange Sie auf der K-Linie sagen, dass die Effizienz dieser Viren einer Reinfektion entspricht, dass sie jedoch nur mit einer Häufigkeit von 10^-4 auftritt und später modifiziert werden und in K bleiben kann. An dieser Stelle möchte ich daran erinnern, dass Restriktionsenzyme von Fall zu Fall unterschiedlich funktionieren können. Diejenigen Enzyme, die an den rot dargestellten Rekombinationssequenzen schneiden, sind sehr reproduzierbar. Dies sind diejenigen, die viele von Ihnen täglich in Ihren Laboratorien verwenden. Und es gibt Hunderte solcher Linien, von denen jede ihre besondere Erkennungssequenz hat. Nebenbei bemerkt: Die Bakterienzellen wissen, wie sie ihr eigenes Genom gegen ihre eigenen Restriktionsenzyme schützen können. Sie tun dies durch die Methylierung von Nukleotiden und in diesem besonderen EcoRI-System: die Nukleotide sind mit eine Sternchen gekennzeichnet. Das A in jedem Strang erhält eine solche Modifikation, und dann ist die DNA nicht anfällig für eine Restriktion. Wenn sich eine Methylierung anderswo befindet, dann wird natürlich geschnitten. Der Typ I - das sind diejenigen Enzyme, die wir am Anfang studiert haben - ist komplexer. Sie erkennen eine nicht-methylierte Position, wieder ist A mit einem Sternchen markiert, und wenn es keine methylierte Gruppe gibt, dann beginnt sich die DNA hindurchzuschlängeln. Ich habe es ein wenig anders gezeichnet. Häufig gibt es mehr als eine dieser Sequenzen auf DNA-Molekülen, die in die Zelle eindringen. Sie beginnt sich zu einer anderen Zeit hindurchzuschlängeln. Und wann immer sie sich begegnen, halten sie an und schneiden die DNA. Das ist eine weitere Strategie der Natur, dies zu tun und Diversität zu erreichen. Im Allgemeinen beobachte ich stets, dass die Natur höchst einfallsreich ist - glauben Sie nicht, dass ein erkannter Mechanismus für alle Prozesse gilt. Die Natur findet stets andere Wege, das bestimmte Ziel zu erreichen, das sie erreichen will. Dies ist also der Baum der Evolution, Darwin hat ihn gezeichnet, indem er lehrte, dass die Lebewesen hier oben einen gemeinsamen Ursprung haben. Ich stimme dem nach wie vor zu, aber zusätzlich sage ich, dass sie auch eine gemeinsame Zukunft haben, denn diese roten Pfeile stehen für Möglichkeiten, manchmal ungeplant, dass DNA von einem dieser Zweige zu einem anderen übertragen wird, ein kleiner Teil - ein Gen oder ein Teil eines Gens oder ein paar Gene, horizontaler Transfer. Dann hat das Lebewesen eine gemeinsame Zukunft. Dies sind Schlussfolgerungen: Es gibt Gene, aber auch nicht-genetische Elemente, wie isomerische Formen, die ich erwähnt habe, zufällige Begegnungen, Mutagene in der Umwelt, die zu gelegentlicher Entstehung von Mutationen beitragen. Und natürlich auch die Modulatoren der Häufigkeiten. Ich erwähnte die Reparaturenzyme, die fehlerhafte Basenpaarungen erkennen. Wir haben also zwei antagonistische Prinzipien: ein Prinzip, das die Evolution begünstigt, ein anderes, das die Evolution, die genetische Variation, begrenzt. Und was wir in lebenden Organismen heute finden, ist das Ergebnis einer langen Geschichte der Evolution, die alle diese Funktionen für die Zwecke, die sie haben, feinabgestimmt hat. Das Genom meiner Bakterien - ich bin davon überzeugt, dass mein Genom eine Dualität besitzt: es umfasst Gene für mein eigenes Leben von der Empfängnis bis zu meinem Tod, einschließlich der Entwicklungsgene. Und einige Gene arbeiten zum Nutzen der Evolution auf der Ebene der Population, und das ist die Quelle der Expansion der Lebensformen/der biologischen Vielfalt, während diese anderen der Erfüllung des Lebens der Individuen dienen. Also, dies ist ein Konzept, von dem ich meine, dass es wichtig wäre, dass jeder, der auf diesem Planeten lebt, es kennt. Ich sehe, dass die Zeit abgelaufen ist. Ich beende meinen Vortrag hier. Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Werner Arber (2014)

Biological Evolution in the Context of Cosmic Evolution and of Cultural Evolution

Werner Arber (2014)

Biological Evolution in the Context of Cosmic Evolution and of Cultural Evolution

Abstract

After reconsidering the very long time periods in cosmic evolution, we will focus our attention to the evolutionary development of living organisms on our planet Earth. The genetic variants (mutations), which are occasionally produced, are alterations in the linear sequences of nucleotides of double-stranded DNA molecules and they drive biological evolution. In the past 70 years, scientific investigations have revealed that a remarkable number of specific molecular mechanisms of genetic variation contribute to evolutionary progress. We can classify these mechanisms into three natural strategies of genetic variation according to specific qualities of their contributions to biological evolution: local DNA sequence changes, intragenomic rearrangements of DNA segments, and the acquisition of a segment of foreign DNA by horizontal gene transfer. Products of so-called evolution genes are thereby involved in cooperation with a number of non-genetic elements. We can conclude that “natural reality” actively takes care of biological evolution. This includes both, the largely contingent production of genetic variants and a drastic limitation of the rates of genetic variation. On the basis of available scientific knowledge we will discuss world view-related aspects and concerns on the long-term sustainability of evolutionary developments on our planet Earth in the context of the cultural evolution of humankind. In conclusion, we recommend respecting the scientifically identified laws of nature for any intended cultural application of scientific knowledge to the benefit of humankind and its environment.

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