Werner Arber (2015) - Insight into the Laws of Nature for Biological Evolution

Both evolutionary biology and genetics have their roots 150 years ago in work with phenotypic variants of plants and animals. In contrast, microbial genetics originating as recently as the 1940s, rapidly revealed that filamentous DNA molecules are the carriers of genetic information

I'm trying to cover 150 years of history of science in 30 minutes. Let's start with Gregor Mendel, Charles Darwin, and Friedrich Miescher on three fields - genetics, evolutionary biology, and nucleic acid biochemistry. In the first almost 100 years, not very much advance was being done. At that moment, people looked at phenotypes. Genetics was not known as genetics, as such. Phenotypes means you look at the organisms, what they do, and you identify that with various tools, your eyes and other senses. Then, you come to some conclusions. It is in the 1940s only that genetics started to be done with microorganisms, bacteria, and with particular bacterial viruses,which are called bacteriophages. You see here that there are three important, very rapidly showing up conclusions. First, transformation, as investigated by Avery and his colleagues in the 1940s, showed that isolated DNA molecules sometimes can penetrate into bacterial cells. If these cells are variants of the one which is the so-called donor bacterium, then sometimes some genes are transferred and replace the mutated genes by the original wild-type. This is called transformation. When Avery and his colleagues discovered that in pneumococcal bacteria, what they actually did, it was known that a broken-open donor can transform other bacterial strains which are genetically different. It was known, but they didn't know what was the substance which made that difference. This group of three people, they purified several components. For example, the donor DNA was highly purified, so there were no other biological molecules in that fraction, and only that DNA fraction gave rise to this transformation and no other fraction. You can imagine, there was only a minority of biologists who believed that. They couldn't understand that, because one did expect that it would be not possible on nucleic acids, which have only four different building blocks, four nucleotides, to have that complex information which is the genetic information. The second possibility was that people working around Joshua Lederberg with E. coli bacteria, they could show that, by chance, these could sometimes give rise to coupling the donor cell with the recipient cell, and genes were transferred. It was pretty soon then later shown that transfer is a linear thing in this coupled transfer. That means that DNA molecules must be long filaments. Student Norton Zinder, working with Joshua Lederberg, had the chance to see whether what they had found with E. coli bacteria is also true for Salmonella bacteria. The first results indicated that it might be so. But when they looked more carefully, how the donor DNA was transferred into the recipient bacteria, they found that these were viral particles, bacteriophage particles, P22. Later on, it was shown that these are really able to do what we call now transduction. Bacteria sometimes incorporate in their coat the bacterial DNA rather than the viral DNA. A small minority, but you can select for specific markers. I forgot to say, in 1953, of course, were the two Nature papers in the spring of Watson and Crick showing the double-helical structure of this filament, this DNA. Everything became clear at that moment, and people started to pay attention to that. Slowly, the idea that DNA is really the carrier of genetic information became more strong. I show you here, symbolically, the large chromosome of E. coli bacteria, which carries almost 5 million base pairs. Base pairs as shown above - T, A, G, C, and so on - in various orders, are actually the genomes of these bacteria. Just one single, large DNA molecule. As I mentioned, from conjugation, one could already predict that this was just one molecule and it's circular. In the wrong scale I just showed there a gene, which is composed essentially on the coding region, which is important for synthesizing particular gene products, mostly proteins. There are expression control signals, of course, because these genes have to be expressed when the product may be needed. Then, from what we learned from Watson and Crick, is that actually a mutation, which is causing phenotypic variations, is most likely an alteration in the parental DNA sequences. At that moment, one was not able to identify these sequences yet. I started in the fall of 1953 my postdoctoral work at the University of Geneva. I came in with majoring in experimental physics, and I had to take care daily of a still relatively primitive electron microscope at that time. In the afternoons, when in the morning I had set up the microscope, cleaning the tube, and so on. In the afternoon, we did research. I started research looking at bacteria, at bacteriophages, and, in particular, at mutants of bacteriophage lambda. One of these mutants, which I also incorporated in this, is a particular mutant of lambda, which is a mutant not producing any visible particle in the electron microscope. But it was clear that the genome was there, that the genes became expressed, and some of the genes are actually host genes. My task then was to go not only with the microscope into these studies, but starting to do genetics. A few mutations of bacteriophage lambda were known at that time. I was able, as shown in this projection, that when this lambda genome - this was already known: Lysogenic bacteria are actually hybrids between the host genome and the viral genome. When you shine ultraviolet light on that, virus production is ... But sometimes the excision of the here black viral genome is not at the right size. So that you get the hybrid between part of the viral genome, which was still able to replicate, and a few adjacent bacterial genes which happen to be genes for galactose fermentation. That could be easily selected. The conclusion was: this defective virus was a hybrid still being able to replicate as a plasmid but not making real viral particles because host coat and tail genes were clearly missing and left behind in the donor bacterium. Instead there were these genes for the capacity to ferment galactose. This idea was accepted by, at that moment, relatively few molecular geneticists. And they reflected on it, knowing that the genome's are tremendously long DNA molecules with many genes; E. coli has almost five thousand genes in its genome. How do you study genes? The best is sorting it out as nature does in this particular case and then using that and replicating and harvesting from this bacteria, the DNA starting to see what the structure and finally the function of these genes are. That was in several pets, but the experiment was not so easy, because how do you sort out a gene which you want to study? We were aware already at that time that several factors limit gene acquisition. Namely, the surface of the donor and the recipient must fit together, for example in conjugation, in the phage infection. The phage must be able to infect the recipient cell and so on. When the DNA penetrates from another bacterial cell into the recipient cell, then restriction modification starts to act. This was a phenomenon which has been described but not explained. Then functional capacities, that's the selection level for propagation and for expression of noble genes. It was already concluded, nature uses these possibilities but it's a strategy in small steps of acquisition of foreign genetic information. Nowadays we call that horizontal gene transfer. I just briefly explain the phenomenon of restriction modification here. K strain red, drawn red here, if you grow that bacteriophage longer in K, you have a progeny after an infection of 100 or 200 particles and each one can go back to another still intact host K. So that can go forever. If you, however, change the host, sometimes we have a host which is marked here by zero, which has no restriction modification in the enzymes, you still go with an efficiency of one. But if you go back to the original host K from the host zero, with these phages, you only get only one in ten thousand which is reproductive. And the phage coming out is again red, so can go back to K and so on. This phenomenon is called restriction and putting the right colour is called modification. The conclusion was there must be these two enzymes for DNA restriction and for its modification of the host. The hunt for enzymes started in the 1960s. At the end of the '60s it was finally successful. You see not all of the restriction enzymes work in the same way. The type-one enzymes are more complex. We had already worked with E. coli which has a type-one restriction system that cuts the DNA into fragments but not reproducibly. You see here a DNA molecule having - down there, type one - having two recognition sites, and the recognition sites are such that wherever I put the star here in the post there is a metro group attached, that's the modification. Modification is DNA regulation. So that the metro group attached to one particular nucleotide does not hinder the expression of the gene. The other enzymes of type-two, this is also relatively widespread in nature, is that again you have the recognition sites for the enzyme E co R1 here - it's G-A-A-T-T-C - And when one or both stars there are not metro groups - they are foreign because the donor would have another recognition site - then the DNA is cut as shown here, reproducibly always in the same way. These enzymes had first been isolated from Haemophilus influenzae by my colleague Hamilton Smith who is also at our meeting. And he, together with me, finally got the Nobel Prize in 1978 together with another colleague, Nathan Smith, who had also been working in the same university as Ham Smith and he worked on human DNA cancer virus, S340. And the three of us got the prize for clearing up the restriction systems, being the first to isolate an enzyme which was very useful for genetic engineering as I will show you now. And a third for its applications of medical interest. So at that moment in the early 1970s, several groups started to use that knowledge, taking a vector that can be a viral DNA or another small, we call that plasmid in bacterias sometimes. There are these, and conjugation is actually due to plasmids working as fertility factors. If you take donor DNA from any origin, cut into fragments which are relatively small, you can incorporate it into that vector, transferring it into some bacteria by various tools. And if you are successful, you can multiply that plasmid and also express the genes which are carried on that, including the inserted red gene. So that's genetic engineering. We discussed early in the 1970s the possibility whether there is some risk to do that. Because if you are looking for a yet unknown gene of unknown function which you sort out,you multiply it highly in the lab and study its structure and function, then you have to be careful not to infect you because you don't know. It could be pathogenic or have some other toxic effect. So the question was then finally deliberated at a few scientific meetings, letter to 'Science' - one should really take that very carefully. And in February of 1974, it came to the Asilomar Conference where all these questions were discussed. And the conclusion was: There are short-term and long-term potential risks. Short-term, as I mentioned, pathogenicity and so on and so forth. And there the recommendation was: Just apply the same method as has already been done for a few decades in medical microbiology. If you take from a sick person some bacterial samples, sending them to an analysis laboratory. These people working in this analysis have to be very careful not to be infected also. That was the rule, but then there came the question: If ever some of this recombinant DNA would penetrate, would get into the environment, either by accident escaping from the lab, or by purpose, liberating something in order to produce these particular cheap products. Then it might be possible at that moment - remember we are in the mid-1970s - that it might be able to transfer into other bacterial strains. I didn't realize then that working with bacterial cultures, which grow very rapidly, generation time of - under very good living conditions - half an hour. So in one day you have a large population, and it's easier to do population genetics and studies with bacteria than with higher organisms which have often generation times of many years. I show you here, what at that moment in biological evolution was known. This is neo-Darwinian evolution that creation, spontaneous creation of mutations, that means genetic variation, is the driving force of evolution. Without having any alteration in the genome, you wouldn't have any evolution. The natural selection which is here characterized by the effect of the environment, and the environment is both physical-chemical and biological. All the other living beings in the same eco-system can also influence the selection of new variants. Third, isolation as Charles Darwin had seen on the Galapagos Islands. There, of course, this is geographic isolation; there are also many types of reproductive isolation that you wouldn't be fertile if you just bring in some DNA which is not related to the organism. That modulates the process of evolution. The idea was then in the 1970s, I decided to go together with many colleagues in microbial genetics into studying the molecular processes of genetic variation in order to understand how that works. We already knew at that time that a mutation, here defined as an alteration of the sequence of the nucleotides, is, in fact, not so often favourable in giving a selective advantage. More often you see selective disadvantage, even extreme lethality. Often also an alteration in the nucleotides is neutral, doesn't give any alteration in the phenotype. So we conclude from that, that the mutations should be relatively rare, spontaneous mutations. That's what one really observes also in bacterial cultures in higher organisms later on also. That's a fact that horizontal transfer does occur but relatively rarely. What I show you here is already ... I will come back later on to the details. This is an indication on how the mutations are created. There are a number of mechanisms. Nature is very inventive. You find a lot of different specific processes contributing to variation, and you can subdivide these into strategies of genetic variation, local one or a few adjacent nucleotides, DNA rearrangement and DNA acquisition by horizontal transfer. What I show you here, I'm pretty happy to show you that. This is a contribution to what I heard yesterday on interdisciplinarity. One does know that nucleotides sometimes have short living isomers called tautomeric forms. For example, the adenine can have its hydrogen atom jumping to another site and then it doesn't pair any longer with thymidine, but by chance it pairs with cytosine. At that moment you have, of course, the adenine goes back to its normal, stable standard form, you have a mispairing. Still nowadays most textbooks say, these mutants are replication errors. It's a completely wrong attitude of understanding nature. Nature uses short-living tautomeric forms of nucleotides in order to occasionally create a nucleotide variation and alteration. And, in fact, most individual organisms studied in that respect have been shown to have repair systems to inhibit rapidly the fixation of the wrong pairing and replacing correctly in the mutated strand that nucleotide. But again, cleverly, not with full, hundred percent efficiency so that very rarely you have substitution. Watson and Crick in the fall of 1953 already showed that, and people later on just ignored it for decades. I show you here there a number of rearrangements possible by enzymes, often general recombination. Transposition of mobile genetic elements jumping from one site to another in the genome. Site-specific recombination, these enzymes can give rise to duplications, to deletions. It can give rise to inversions and new fusions and that sometimes also has some effect. In fact, the three differences - local sequence change, DNA arrangement, and DNA acquisition - have different qualities in their contribution to evolution. Local sequence change often is a stepwise improvement of something, if natural selection selects for it. DNA arrangements give rise to new fusions of functional domains or of alternative expression control signal with a functional gene while the horizontal transfer is a sharing in successful developments made by others. That's quite successful. I come now to just mention a few conclusions. The blue type is what Charles Darwin said, that living beings have common - he doesn't say whether one or many - common origins, but it's good to show that tree, and there is good evidence for that With horizontal transfer you can draw between branches of these trees. Transfers which are only once used usually and that gives rise that, as I mentioned, you can profit from something, some gene functions which were developed elsewhere. And I conclude that Charles Darwin is right, we have common origin, but also common future. That's quite essential and I ask you to accept that as an important thing. And that's for me a very important additional argument to safeguard the big biodiversity. Because if we lose that biodiversity where are all these developed genes that could be at some time or another, at future times, helpful for any organism. I just go very rapidly. There are evolution genes which are either variation generators or modulators of the frequency of variation. Then nature also uses non-genetic elements; I just remind you of the tautomeric form of nucleotides. This is a structure of flexibility of biologically active molecule materials. Random encounters: If a virus carries genes from one organism to another, it's a chance to infect that one or another one and so on. And environmental mutagens. Nature uses that and the conclusion is that natural reality takes actively care of biological evolution. It's an active process and we have difficulty in understanding and believing that because it's inefficient. It must be inefficient, otherwise we wouldn't be able to live because our genome has to be of a good stability. Only rare individuals can try-out whether a newly known mutation can be advance or lethality. You see you have these two antagonistic principals, promotion of genetic variation and limitation. And it is really a very nice fine tuning that in the past the evolution genes have made. So we see if we study these things, that in most of the genomes it has been shown that the two kinds of genes are there. It's a duality of the genome to the benefit of individuals: the majority of the genes - the housekeeping genes, accessory genes and developmental genes - in higher organisms. Whereas the evolution genes are actually the source of, in fact, genetic evolution and biodiversity. I will finish here but just to say: If you apply all that knowledge to genetic engineering you will see that genetic engineering is not fundamentally different from what nature does in horizontal and other gene transfer all the time. And in biotechnology, in classical including agriculture, you go into nature, you see which plants can serve for me as a food, which animals are useful for me and you domesticate those. And nowadays you can include your knowledge and sometimes improve some function, making differently higher expression and so on. And introduce a gene of possible interest in another organism in order to harvest its product and use it. That's called domestication of genes. Thank you for your attention.

Ich versuche, 150 Jahre aus der Geschichte der Wissenschaft in 30 Minuten abzudecken. Wir beginnen mit Gregor Mendel, Charles Darwin und Friedrich Miescher und den drei Fachbereichen Genetik, Evolutionsbiologie und Nukleinsäure-Biochemie. In den ersten beinahe 100 Jahren gab es relativ wenig Fortschritt zu verzeichnen. Die Menschen betrachteten damals Phänotypen, die Genetik war als solche noch nicht bekannt. Phänotypen bedeutet hier, dass man sich die Organismen anschaut, was sie tun, und identifiziert dies mit diversen Werkzeugen, den Augen und anderen Sinnen, und zieht daraus einige Schlussfolgerungen. Erst in den 1940er-Jahren wurde mit der genetischen Untersuchung von Mikroorganismen, Bakterien und insbesondere bakteriellen Viren, den sogenannten Bakteriophagen, begonnen. Wie Sie hier sehen können, gibt es drei wichtige und sehr rasch auftretende Schlussfolgerungen. Zunächst zeigte die von Avery und seinen Kollegen in den 1940er-Jahren untersuchte Transformation, dass isolierte DNA-Moleküle manchmal in bakterielle Zellen eindringen können. Und dass, falls es sich bei diesen Zellen um Varianten der sogenannten "Spenderzelle" handelt, dabei unter Umständen Gene übertragen werden, welche die mutierten Gene mit dem ursprünglichen Wildtypen ersetzen. Dies wird als "Transformation" bezeichnet. Als Avery und dessen Kollegen dies an Pneumokokken entdeckten, basierte ihr Vorgehen auf dem damaligen Wissen, dass ein aufgebrochener Spender andere sich genetisch unterscheidende Bakterienstämme umwandeln konnte. Dies wusste man, jedoch war nicht bekannt, welche Substanzklasse den Unterschied ausmachte. Und diese aus drei Leuten bestehende Gruppe reinigte mehrere Komponenten, darunter die hochgradig gereinigte Spender-DNA, sodass sich in dieser Fraktion keine weiteren biologischen Moleküle befanden und nur diese DNA-Fraktion und keine andere zu diesen Transformationen führte. Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, gab es nur wenige Biologen, die so etwas glaubten. Vielen fehlte das Verständnis, weil man davon ausging, dass es nicht möglich sei, aus Nukleinsäuren, die aus gerade einmal vier unterschiedlichen Kettengliedern, vier Nukleotiden bestehen, solch komplexe Informationen, also genetisches Wissen, zu erhalten. Eine zweite Möglichkeit bestand aus den Leuten, die um Joshua Lederberg mit E. coli Bakterien arbeiteten und herausfanden, dass diese manchmal zufällig zur Verbindung einer Spenderzelle mit einer Empfängerzelle führten und dabei Gene übertragen wurden. Und kurz darauf stellte sich heraus, dass die Übertragung bei dieser gekoppelten Verbindung linear verlief. Daraus leitete sich ab, dass DNA-Moleküle aus langen Filamenten bestehen. Der Student Norton Zinder, der mit Joshua Lederberg arbeitete, hatte die Möglichkeiten zu beobachten, ob die Ergebnisse aus E. coli Bakterien auch auf Salmonellen zutrafen. Die ersten Ergebnisse ließen diese Vermutung noch zu, als sie sich jedoch genauer anschauten, wie die Spender-DNA in das Empfängerbakterium übertragen wurde, stellten sie fest, dass es sich um Viruspartikel, Partikel von P22-Bakteriophagen, handelte. Später wurde gezeigt, dass diese tatsächlich zu dem, was wir heute als Transduktion bezeichnen, fähig sind, nämlich dass Bakterien in ihrem Code manchmal eher die bakterielle DNA als die Virus-DNA enthalten. Das gilt zwar nur für eine kleine Minderheit, aber man kann spezielle Marker wählen. Entschuldigung, ich vergaß zu sagen, dass im Frühjahr 1953 natürlich zwei Arbeiten von Watson und Crick in Nature erschienen waren, die die Doppelhelix-Struktur dieses Filaments, dieser DNA zeigten. In diesem Moment wurde also alles klar, die Leute wurden darauf aufmerksam und langsam verfestigte sich die Idee, dass es sich bei der DNA um den tatsächlichen Träger genetischer Informationen handelte. Hier zeige ich Ihnen sinnbildlich das lange Chromosom der E. coli Bakterie, welches fast fünf Millionen Basenpaare umfasst. Die Basenpaare werden oben gezeigt. TA, GC und so weiter, in verschiedenen Anordnungen, ist tatsächlich das Genom dieser Bakterie, nur ein einziges großes DNA-Molekül. Und wie ich bereits sagte, ließ aus der Konjugation bereits vorhersagen, dass es sich hier um ein einziges, kreisförmiges Molekül handelt. Ich zeige hier, wenn auch im falschen Maßstab, ein Gen, welches hauptsächlich in der Kodierungsregion gebildet wird, was für die Synthese bestimmter Genprodukte, zumeist Proteine, wichtig ist. Und es gibt natürlich Kontrollsignale zur Expression, weil diese Gene exprimiert werden müssen, wenn das Produkt möglicherweise gebraucht wird. Von Watson und Crick haben wir erfahren, dass es sich bei einer Mutation, die phänotypische Variationen verursacht, wahrscheinlich um eine Veränderung in den parentalen DNA-Sequenzen handelt. Zu diesem Zeitpunkt war eine Identifikation dieser Sequenzen noch nicht möglich. Ich begann im Herbst 1953 nach Abschluss meiner Promotion mit der Arbeit an der Universität von Genf. Ich hatte im Hauptfach Experimentalphysik studiert und musste mich damals täglich um ein recht primitives Elektronenmikroskop kümmern. Nachmittags - nachdem ich morgens das Mikroskop vorbereitet und die Röhre gereinigt hatte und so weiter, wurde nachmittags geforscht. Und ich begann mit der Untersuchung von Bakterien, von Bakteriophagen und insbesondere von Mutationen der Bakteriophage Lambda. Und bei einer dieser Mutationen, welche ich ebenfalls mit einbezogen habe, handelt es sich um eine bestimmte Lambda-Mutation, welche im Elektronenmikroskop keinerlei sichtbare Partikel produziert. Es war jedoch klar, dass das Genom da war, dass die Gene exprimiert wurden und es sich bei einigen der Gene um Wirts-Gene handelte. Und meine Aufgabe bestand damals darin, diese Studien nicht nur mit dem Mikroskop zu betreiben, sondern anzufangen mit Genetik zu arbeiten. Einige Mutationen von Bakteriophage Lambda waren damals bekannt. Und ich konnte, wie in der Abbildung dargestellt, anhand dieses Lambda-Genoms, welches bereits bekannt war, zeigen, dass es sich bei der lysogenen Bakterie tatsächlich um Hybriden aus Wirts-Genom und Viren-Genom handelt. Und wenn man es mit ultraviolettem Licht bestrahlt, wird die Virenproduktion ... Aber manchmal findet die Entfernung des schwarzen Virusgenoms hier nicht in der richtigen Größe statt, sodass man den Hybrid zwischen Teilen des Virusgenoms erhält, welches sich immer noch nachbilden konnte, und einige benachbarte bakterielle Gene, bei denen es sich um Gene zur Fermentierung von Galaktose handelt. Und dies konnte auf einfache Weise ausgewählt werden. Die Schlussfolgerung lautete also, dass es sich bei dem defekten Virus um einen Hybriden handelte, der sich noch immer als Plasmid reproduzieren, aber keine richtigen Virenpartikel bilden konnte, weil der Wirtsmantel und die Endgene deutlich fehlten und im Spender-Bakterium zurückblieben. Stattdessen gab es diese Gene für die Fähigkeit, Galaktose zu fermentieren. Diese Idee fand zu jenem Zeitpunkt unter relativ wenigen Molekulargenetikern Zustimmung, denen auch bewusst war, dass es sich bei den Genomen um ungeheuer lange DNA-Moleküle mit vielen Genen handelte. E. coli enthält in seinem Genom fast fünftausend Gene. Und wie sollte man Gene studieren? Am besten sortiert man si aus, wie es auch die Natur in diesem speziellen Fall macht, und dies dazu nutzt, aus diesen Bakterien die DNA dieser Bakterie zu replizieren und ernten, um zunächst die Struktur und letzten Endes die Funktion dieser Gene zu erkunden. Diese Vorgehensweise steckte in mehreren Köpfen, aber das Experiment selbst stellte sich als nicht einfach heraus, denn wie sollte man ein Gen trennen, welches man erforschen möchte? Wir waren uns zu diesem Zeitpunkt bereits mehrerer Faktoren bewusst, die bei der Erfassung eines Gens Hindernisse darstellten. Etwa, dass die Oberfläche des Spenders und des Empfängers zusammenpassen musste, zum Beispiel bei Konjugation. Bei der Infizierung mit Phagen muss der Phage in der Lage sein, die Empfängerzelle zu infizieren, und so weiter. Wenn die DNA von einer anderen Bakterienzelle in die Empfängerzelle eindringt, tritt restriktive Modifikation in Kraft. Hierbei handelte es sich um ein Phänomen, dass zwar beschrieben aber nicht erklärt worden war. Dazu Funktionsfähigkeiten, wobei es sich um das Auswahlniveau zur Verbreitung und zur Expression von neuen Genen handelt. Man hatte also bereits festgestellt, dass die Natur diese Möglichkeiten nutzt, jedoch besteht diese Strategie aus kleinen Schritten, mit denen fremde genetische Informationen gewonnen werden. Heute nennen wir dies horizontalen Gentransfer. Ich erkläre an dieser Stelle nur kurz das Phänomen der restriktiven Modifikation. Der K-Strang, hier in Rot dargestellt. Wenn man den Bakteriophage Lambda in K züchtet, so erhält man nach der Infizierung eine Nachkommenschaft von 100 oder 200 Partikeln, von denen jeder zu einem noch intakten Wirt K zurückkehren kann. Das kann unaufhörlich so weitergehen. Wenn man jedoch den Wirt verändert, manchmal gibt es einen Wirt, der hier mit einer 0 markiert wurde, der keine restriktiven Modifikationsenzyme besitzt, so hat man noch immer eine Effizienz von Eins. Geht man jedoch mit diesen Phagen vom Wirt 0 zum ursprünglichen Wirt K zurück, erhält man lediglich einen in zehntausend, was reproduktiv ist und der dabei herauskommende Phage ist wiederum rot. Er kann also zurück zu K und so weiter. Dieses Phänomen nennt man "Restriktion", das Setzen der richtigen Farbe nennt man "Modifikation". Man kam zu dem Schluss, dass es diese zwei Enzyme für die DNA-Restriktion und für deren Modifikation des Wirtes geben musste. Es folgte die Jagd auf Enzyme, die in den 1960er-Jahren begann und Ende der '60er-Jahre stellte sich schließlich der Erfolg ein. Wie Sie sehen, arbeiten nicht alle Restriktionsenzyme auf dieselbe Weise. Die Typ-I-Enzyme sind komplexer. Wir hatten ursprünglich mit E. coli gearbeitet, welches ein Typ-I-Restriktionssystem besitzt, das die DNA in Fragmente schneidet, jedoch nicht reproduzierbar. Bei dem hier dargestellten DNA-Molekül können Sie sehen, dass Typ I über zwei Erkennungsstellen verfügt und die Erkennungsstellen so funktionieren, dass, egal, wohin ich den Stern hier im Wirt setze, eine Methylgruppe anliegt. Dies ist die Modifikation, Modifikation bedeutet DNA-Methylierung. Somit behindert die an einem bestimmten Nukleotid anliegende Methylgruppe die Expression des Gens nicht. Bei anderen Enzymen des Typs II, die auch in der Natur relativ häufig vorkommen, hat man Restriktionen. Die Erkennungsstellen für die Enzyme Eco R-1 hier lautet G-A-A-T-T-C. Und wenn es sich bei einem oder beiden Sternen nicht um Methylgruppen handelt, sie fremd sind, weil der Spender eine andere Erkennungsstelle besitzt, dann ist die DNA darin gefangen, wie man hier sieht, und immer auf dieselbe Weise reproduzierbar. Diese Enzyme wurden zum ersten Mal aus der Haemophilus Influenza isoliert und zwar durch meinen Kollegen Hamilton Smith, der ebenfalls an der Tagung teilnimmt. Gemeinsam erhielten wir im Jahr 1978 schließlich den Nobelpreis, zusammen mit einem weiteren Kollegen, Nathan Smith, der an derselben Universität wie Ham Smith arbeitete und den menschlichen DNA-Krebsvirus SV40 erforschte. Und wir drei erhielten den Preis für die Freilegung der Restriktionssysteme und dafür, dass wir die ersten waren, denen die Isolation eines Enzyms gelang, was sich für die Gentechnik als sehr nützlich erwies, wie ich Ihnen nun zeigen werde. Und drittens für dessen Anwendungen in medizinischen Interessen. Damals, in den frühen 1970er-Jahren, begannen also mehrere Gruppen mit der Nutzung dieses Wissens und der Verwendung eines Vektors. Das kann eine Virus-DNA sein oder etwas Kleineres, das wir manchmal "Plasmid" nennen und das in Bakterien vorkommt - Konjugation entsteht eigentlich aufgrund von als Fruchtbarkeitsfaktoren arbeitenden Plasmiden. Und wenn man Spender-DNA aus welcher Quelle auch immer entnimmt und sie in relativ kleine Fragmente schneidet, so kann man sie in diesen Vektor eingliedern und sie mit verschiedenen Werkzeugen in eine Bakterie überführen. Wenn das gelungen ist, dann kann man das Plasmid multiplizieren und zudem die darauf getragenen Gene inklusive des eingefügten roten Gens exprimieren. Und das ist Gentechnik. Wir haben damals, in den frühen 1970er-Jahren, über mögliche daraus entstehende Risiken diskutiert. Weil wenn man versucht, ein bislang unbekanntes Gen mit unbekannter Funktion ausfindig zu machen, es aussortiert und im Labour in großen Mengen vervielfacht, um seine Struktur und Funktion zu studieren, dann muss man vorsichtig sein, sich nicht damit anzustecken, weil man es eben nicht kennt. Es könnte krankheitserregend sein oder eine toxische Auswirkung haben. Es wurde also damals, auch im Anschluss an Beratungen in einigen wissenschaftlichen Treffen und in einem Brief an Science, darauf hingewiesen, dass man wirklich sehr vorsichtig damit umgehen sollte. Und im Februar 1974 wurden all diese Fragen auf der Asilomar-Konferenz diskutiert. Und die abschließende Erklärung war, dass es potentielle Kurzzeit- und Langzeitrisiken gab. Mit Kurzzeit war die angesprochene Pathogenität und so weiter gemeint. Und die Empfehlung der Konferenz lautete, nach derselben Methode vorzugehen, die bereits seit einigen Jahrzehnten in der Mikrobiologie angewendet wurde, wenn man von einer erkrankten Person eine Bakterienprobe nimmt und sie an ein Analyselabor sendet - wobei die an diesen Analysen arbeitenden Menschen ebenfalls aufpassen mussten, sich nicht anzustecken. So war also die Empfehlung, aber es kam daraufhin die Frage auf, was passierte, wenn solch rekombinante DNA in die Umwelt gelangte, sei es, dass sie versehentlich aus dem Labour gelangte, oder absichtlich, wenn es darum ging, etwas freizusetzen, um ein bestimmtes Genprodukt zu produzieren. Außerdem stand drei zu diesem Zeitpunkt - es war wie gesagt Mitte der '70er - noch die Möglichkeit im Raum, dass es in andere Bakterienstränge übertragen werden könnte. Mir war bewusst, dass bei der Arbeit mit bakteriellen Kulturen, die sehr schnell wachsen und mit denen man binnen eines Tages eine große Population erzielt, das Studium von Populationsgenetik und Bakterien im Vergleich zu höheren Organismen, deren Generationszeiten oft viele Jahre betragen, erleichtert. Ich zeige Ihnen hier, was man zu dem Zeitpunkt von biologischer Evolution wusste. Hierbei handelt es sich um die neodarwinistische Evolution, bei der die spontane Entstehung von Mutationen, also genetischer Abweichung, die treibende Kraft der Evolution ist. Ohne irgendeine Änderung am Genom würde es keine Evolution geben. Die natürliche Auswahl, die hier durch den Effekt auf die Umwelt charakterisiert wird, und die Umwelt ist physikalisch-chemisch und biologisch. All die anderen Lebewesen desselben Ökosystems können die Auswahl neuer Varianten ebenfalls beeinflussen. Und drittens noch Isolation, wie sie Charles Darwin auf den Galapagosinseln beobachtet hatte. Dabei handelte es sich selbstverständlich um eine geografische Isolation. Es gibt aber auch vielerlei Arten von reproduktiver Isolation und zwar, dass nicht automatisch Fruchtbarkeit entsteht, wenn man einfach eine DNA einführt, die mit dem Organismus nicht verwandt ist. Und das moduliert den Evolutionsprozess. Die Idee damals, in den 1970er-Jahren, war, dass ich mich - zusammen mit vielen Kollegen - in die mikrobiologischen Genetik gehen würde, um die Molekularprozesse genetischer Veränderung zu erforschen und zu verstehen, wie diese funktioniert. Wir wussten zu dieser Zeit bereits, dass die Mutation – die hier als Veränderung der Sequenz der Nukleotide definiert ist – tatsächlich nicht so häufig günstig verläuft und mit einem selektiven Vorteil einhergeht. Wesentlich öfter trifft man auf selektive Nachteile, sogar extreme Lethargie. Und oft ist eine Änderung in den Nukleotiden auch neutral und bringt keinerlei Veränderung im Phänotyp. Daraus schließen wir also, dass die spontanen Mutationen relativ selten sein sollten. Dasselbe beobachtet man auch bei bakteriellen Kulturen, später auch bei höheren Organismen. Es steht also fest, dass horizontaler Transfer vorkommt, jedoch relativ selten ist. Und was ich Ihnen hier zeige, ist bereits hier finden wir einen Hinweis darauf, wie Mutationen entstehen. Es gibt eine Reihe von Mechanismen, die Natur ist da sehr einfallsreich. Man findet eine Vielzahl an unterschiedlichen speziellen Prozessen, die zu einer Veränderung beitragen. Und diese lassen sich in Strategien für genetische Veränderung unterteilen: lokal (ein oder wenige benachbarte Nukleotiden), Neuanordnung von DNA und Aneignung von DNA durch horizontalen Transfer. Ich freue mich sehr, Ihnen dies hier zu zeigen, es handelt sich um den Beitrag darüber, was ich gestern fachübergreifend hörte. Man weiß, dass Nukleotide manchmal kurzlebige Isomere besitzen, die sogenannten Tautomerien. Beispielsweise kann das Adenin sein Wasserstoff-Atom haben, welches auf eine andere Seite springt und sich dann nicht mehr mit Thymidin verbindet, sich aber zufällig mit Cytosin verbindet. In diesem Moment kommt es, sobald das Adenin in seine normale, stabile Standardform zurückkehrt, zu einem Basenpaar. In den meisten Lehrbüchern werden diese Mutanten heute als Replikationsfehler bezeichnet. Dabei handelt es um eine völlig falsche Einstellung zum Verständnis der Natur. Die Natur benutzt kurzlebige, tautomere Formen von Nukleotiden, um gelegentlich Nukleotid-Varianten und -Veränderungen zu erzeugen. Und tatsächlich hat man bei den meisten Einzelorganismen bei entsprechenden Studien herausgefunden, dass diese Systeme zur Reparatur besitzen, anhand derer die Bindung des falschen Paares rasch unterbunden und in dem mutierten Strang dieses Nukleotids korrekt ersetzt wird. Allerdings wiederum, klugerweise, nicht mit 100-prozentiger Effizienz, so dass es, wenn auch sehr selten, zu Substitutionen kommt. Watson-Crick hatten dies bereits im Herbst 1953 gezeigt, was von den Leuten danach jahrzehntelang einfach ignoriert wurde. Ich zeige Ihnen hier diese Neuanordnungen. Es gibt eine Vielzahl an möglichen Neuanordnungen: oft durch Enzyme: durch allgemeine Rekombination, durch Transposition mobiler genetischer Elemente Und diese Enzyme können zu Verdopplungen, zu Löschungen führen, sie können zu Umkehrungen und neuen Verbindungen führen, woraus manchmal ein gewisser Effekt entsteht. In der Tat besitzen die drei Unterschiede – lokale Sequenzänderung, DNA-Neuordnung und DNA-Aneignung – in ihrem Beitrag zur Evolution unterschiedliche Qualitäten. Lokale Sequenzänderung passiert oft als schrittweise Verbesserung, wenn die natürliche Selektion dies aufruft. DNA-Neuanordnungen führen zu neuen Verbindungen von funktionalen Bereichen oder anderen alternativen Expressions-Kontrollsignalen mit einem funktionierenden Gen, während der horizontale Transfer lediglich an den erfolgreichen Entwicklungen durch andere teilnimmt. Das gelingt recht erfolgreich. Ich komme nun zu einigen Schlussfolgerungen. Der blaue Typ entspricht den Worten Charles Darwins, dass Lebewesen einen gemeinsamen Ursprung haben - er sagt nicht, ob es sich dabei um einen oder viele Ursprünge handelt - aber es ist gut, diesen Baum zu zeigen und hierfür gibt es gute Beweise. Beim horizontalen Transfer kann man zwischen den Ästen dieser Bäume zeichnen. Transfers, die in der Regel nur einmal genutzt werden und die dazu führen, dass von etwas profitiert werden kann, von Genfunktionen, die woanders entwickelt wurden. Und ich schließe daraus, dass Charles Darwin Recht hat: Wir haben einen gemeinsamen Ursprung - aber auch eine gemeinsame Zukunft. Dies ist recht essentiell, und ich möchte Sie bitten, dies als wichtige Sache zu akzeptieren. Für mich ist dies ein sehr wichtiges weiteres Argument für den Schutz der großen Artenvielfalt, denn wenn wir diese Artenvielfalt verlieren, wo bleiben sonst all diese entwickelten Gene, welche in der nahen oder fernen Zukunft für irgendeinen Organismus hilfreich wären? Ich mache noch schnell zu Ende. Es gibt Evolutionsgene, bei denen es sich entweder um Variationserzeuger oder Moderatoren zur Häufigkeit von Variation handelt. Zudem nutzt die Natur auch nicht-genetische Elemente - ich möchte Sie nur an die Tautomerieform von Nukleotiden erinnern. Hierbei handelt es sich um eine strukturelle Flexibilität von biologisch aktiven Materialien. Zufälliges Aufeinandertreffen: wenn ein Virus Gene von einem Organismus zu einem anderen trägt, entsteht dadurch die Chance, den ein oder anderen zu infizieren und so weiter. Und Umweltmutagene. Die Natur macht sich dies zu Nutzen, und daraus lässt sich ableiten, dass sich die natürliche Realität aktiv um die biologische Evolution sorgt, es sich dabei um einen aktiven Prozess handelt. Und wir tun uns schwer, dies zu verstehen und daran zu glauben, weil es unpraktisch ist, es unpraktisch sein muss, andernfalls wären wir nicht fähig zu leben, weil unser Genom eine gute Stabilität benötigt. Nur seltene Individuen können austesten, ob aus einer neuen Mutation ein Vorteil oder Letalität entsteht. Wie Sie also sehen, gibt es diese beiden entgegenwirkenden Prinzipien, die Förderung und die Beschränkung genetischer Veränderung. Es handelt sich dabei wirklich um sehr schöne Feinabstimmungen, die von den Evolutionsgenen in der Vergangenheit gemacht wurden. Wir stellen beim Studium dieser Dinge also fest, dass die Existenz dieser beiden Arten von Genen in den meisten Genomen bewiesen wurde. Es handelt sich um die Dualität des Genoms. Für die meisten Individuen entsteht ein Nutzen durch die meisten Gene, Haushaltsgene, akzessorische Gene und Entwicklungsgenen in höheren Organismen. Wohingegen in den Evolutionsgenen wirklich die Quelle der genetischen Evolution und der Artenvielfalt steckt. Ich komme jetzt zum Ende, aber ich möchte Ihnen noch sagen, dass, wenn Sie all dieses Wissen in der Gentechnik anwenden, Sie feststellen werden, dass es keinen wesentlicher Unterschied gibt zwischen der Gentechnik und dem, was die Natur in horizontalen oder anderen Gentransfers ständig tut. Ebenso in der Biotechnologie, in klassischen Bereichen einschließlich der Landwirtschaft: Man geht raus in die Natur, schaut sich an, welche Pflanzen als Nahrung nützlich sind, welche Tiere nützlich sind, und domestiziert diese. Und heutzutage kann man dieses Wissen einbeziehen und manchmal einige Funktionen verbessern - eine erhöhte Expression und so weiter - und ein bestimmtes Gen in einem anderen Organismus anwenden, um daraus ein Produkt zu gewinnen und dieses zu nutzen. Das ist dann die Domestizierung von Genen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Werner Arber (2015)

Insight into the Laws of Nature for Biological Evolution

Werner Arber (2015)

Insight into the Laws of Nature for Biological Evolution

Abstract

Both evolutionary biology and genetics have their roots 150 years ago in work with phenotypic variants of plants and animals. In contrast, microbial genetics originating as recently as the 1940s, rapidly revealed that filamentous DNA molecules are the carriers of genetic information. We will discuss further steps in the exploration of structure, functions and evolution of genetic determinants, in particular of bacteria and bacterial viruses. These studies revealed a multitude of specific molecular mechanisms contributing to the spontaneous production of genetic variants. These specific molecular mechanisms can be assigned to three natural strategies of genetic variation with qualitatively different contributions to biological evolution: (1) Local nucleotide sequence alterations can contribute to step-wise improvement of a particular function; (2) segment-wise DNA rearrangements can lead to improvement of available capacities; (3) DNA acquisition by horizontal gene transfer can be viewed as sharing successful developments made by others.
These processes are the drivers of biological evolution and they employ enzymatic activities of so-called evolution genes acting as variation generators and as modulators of the frequency of genetic variation, together with a number of non-genetic elements. On the basis of acquired knowledge on the slow, but steady progress of biological evolution, we can conclude that natural reality takes active care of biological evolution. Increasing evidence indicates that this process of self-organization applies to all kinds of living organisms. Aspects of worldview related to our conclusions will be discussed, as well as impacts on biotechnological applications.

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