606 WISSENSCHAFT

BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

CHRISTIAN RÖDELSPERGER, ADRIAN STREIT

MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR ENTWICKLUNGSBIOLOGIE, TÜBINGEN

The genome of Caenorhabditis elegans was the first to be sequencedfrom a multicellular organism. One major finding was that despite a muchsmaller genome, C. elegans has only marginally fewer genes than man.Sequencing of other nematode genomes demonstrated that this is ageneral feature of nematodes. With their high gene turnover and nume-rous examples of horizontal gene transfer, nematode genomes form ahighly attractive system for comparative studies of genome structure andevolution.

DOI: 10.1007/s12268-013-0359-0© Springer-Verlag 2013

ó Nematoden (Fadenwürmer) bilden mitgeschätzten ein bis zehn Millionen Arten dengrößten Stamm im Tierreich. Neben ihremArten- und Individuenreichtum tragen ihreökologische Omnipräsenz und die Tatsache,dass sich unter ihnen wichtige Parasiten vonMenschen, Tieren und Pflanzen befinden,wesentlich zu ihrer biologischen, wirtschaft-lichen und medizinischen Bedeutung bei [1].

Mit Caenorhabditis elegans gehört einer deram häufigsten genutzten Modellorganismen

zu den Nematoden. Ausgehend von C. eleganswerden Nematoden auch in der Evolutions-biologie als Modellfall intensiv untersucht.C. elegans war der erste vielzellige Orga-nismus, dessen Genom vollständig sequen-ziert wurde. In den letzten zehn Jahren folg-ten weitere Genome frei lebender und para-sitischer Nematoden [2]. Zusammen mit derumfassenden Kenntnis der stammesge-schichtlichen Verwandtschaften der unter-suchten Arten (Abb. 1, [3, 4]) bilden diese

Genomsequenzen eine ergiebige Quelle fürdie Erforschung der Strukturen und der Evo-lution von Genomen. Tabelle 1 zeigt eineÜbersicht über die 14 zurzeit publiziertenNematoden-Genome im Vergleich zummenschlichen Genom.

Nematoden-Genome sind kompaktVerglichen mit den Genomen von Mensch undMaus sind alle publizierten Nematoden-Geno-me klein und kompakt. Die Größe der assem-blierten Genome variiert zwischen 53 und265 Megabasen (Tab. 1). Trotzdem sind diegeschätzten Genzahlen sehr vergleichbar mitder Genzahl des Menschen. Als Konsequenzdaraus ist die durchschnittliche Gendichte inNematoden viel höher als beim Menschen.Die Größe eines durchschnittlichen Exons istin Nematoden ungefähr gleich wie beim Men-schen, aber intronische und intergenischeRegionen sind im Durchschnitt deutlich klei-ner. Eine mögliche Erklärung, warum Nema-toden-Genome so kompakt sind und so wenigjunk-DNA enthalten, könnte sein, dass Nema-toden die Aktivität von Transposons effi-zienter unterdrücken können als andere Orga-nismen. Transposonaktivität ist eine derHauptursachen für die großen Genome derWirbeltiere. Während repetitive Sequenzenund Transposons maximal fünf Prozent einesNematoden-Genoms ausmachen, liegt dieserAnteil beim Menschen bei 49 Prozent (Tab. 1).

Hohe Frequenz von Zugewinn undVerlust von GenenBis zu 48 Prozent der Gene haben keineerkennbaren Homologe in anderen Nemato-den (Abb. 2A). Solche Gene werden oft alsWaisen- oder Pioniergene bezeichnet. DieseBeobachtung wird auch durch zahlreicheEST(expressed sequence tag)-Sequenzierpro-jekte bestätigt (Abb. 2B, [5]) und legt nahe,dass ein Zugewinn und Verlust von Genen in

Genomevolution

Komplexität im Kleinen –Nematoden-Genome im Vergleich

¯ Abb. 1: Phylogenetische Einordnung derNematodenarten mit sequenziertem Genom indie fünf Großgruppen (Kladen) nach [3].

608 WISSENSCHAFT

BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

der Evolution der Nematoden sehr häufig auf-treten. Der Anteil der Pioniergene hängtjedoch stark von der Anzahl der vergliche-nen, nahe verwandten Arten ab. So zeigen diedrei Genome der Gattung Caenorhabditis deut-lich weniger Pioniergene als z. B. das Trichi-nella-Genom, das bisher einzige sequenzier-te Genom in seiner Gruppe (Klade I, Abb. 1und 2A).

Der beobachtete Zugewinn von Genen kannmit verschiedenen evolutionären Prozessenerklärt werden:– schnelle Veränderung von Genen bis zu

dem Punkt, an dem sie nicht mehr alsHomologe zu erkennen sind;

– de novo-Entstehung von Genen aus vorhernicht-codierenden Sequenzen;

– horizontaler Gentransfer (HGT) von ande-ren Organismen.

Schnelle Veränderung von Genen: Eineschnelle Evolution, insbesondere nach Gen-duplikationen, ist eine plausible Erklärungfür das vermeintliche Fehlen von Homologenfür einige Gene. Es wird angenommen, dassnach Genduplikationen die eine Kopie neueEigenschaften annehmen kann, während dieursprüngliche Funktion weiterhin durch dieandere Kopie wahrgenommen wird [6]. Inder Tat gehören viele Pioniergene größerenGenfamilien an. Dies legt nahe, dass sich ein-

zelne Mitglieder in einem solchen Ausmaßdiversifiziert haben, dass sie als Pioniergeneklassifiziert werden, während für andere Mit-glieder noch Homologe erkennbar sind.

De novo-Entstehung von Genen: Obwohles in Nematoden noch keine publizierten Bei-spiele für die de novo-Entstehung von Genenaus nicht-codierenden Sequenzen gibt, ist die-ser Mechanismus, in Analogie zu anderenSystemen, trotzdem eine wahrscheinlicheErklärung für einen Teil der neuen Gene.

Horizontaler Gentransfer: Die sequen-zierten Genome und die zahlreichen EST-Sequenzierprojekte [5] liefern überzeugendeEvidenz dafür, dass viele Nematoden zahl-

Homo sapiens 3.320,6 49,8 3,0 20.806 5 126 Lander ES et al. (2001) Nature 409:860–921

Caenorhabditis elegans 100,3 1,5 29,9 20.517 5 136 C. elegans Sequencing Consortium (1998) Scien-ce 282:2012–2018

Caenorhabditis briggsae 105,4 2,5 25,7 21.961 5 149 Stein LD et al. (2003) PLoS Biol 1:E45

Caenorhabditis angaria 79,7 1,3 29,1 26.265 3 173 Mortazavi A et al. (2010)Genome Res 20:1740–1747

Pristionchus pacificus 153,2 2,5 15,4 24.217 8 84 Dieterich C et al. (2008) Nat Genet 40:1193–1198

Panagrellus redivivus 62,1 0,5 16,2 26.372 3 205 Srinivasan J et al. (2013) Genetics 193:1279–1295

Bursaphelenchelus xylophilus 73,1 0,7 25,4 18.074 4 183 Kikuchi T et al. (2011) PLoS Pathog 7:e1002219

Meloidogyne hapla 53,0 4,3 35,7 13.072 4 142 Opperman CH et al. (2008)Proc Natl Acad Sci USA105:14802–14807

Meloidogyne incognita 82,1 3,2 25,0 20.332 5 137 Abad P et al. (2008) Nat Biotech 8:909–915

Brugia malayi 89,3 5,3 7,0 21.332 3 137 Ghedin RA et al. (2007) Scien-ce 317:1756–1760

Wuchereria bancrofti 81,5 4,0 5,4 19.187 3 138 Desjardins CA et al. (2013)Nat Genet 45:495–500

Loa loa 87,5 4,6 5,9 15.444 4 140 Desjardins CA et al. (2013)Nat Genet 45:495–500

Dirofilaria imminitis 84,9 4,4 5,8 12.857 5 133 Godel C et al. (2012) FASEB J 26:4650–4661

Ascaris suum 265,3 1,4 6,8 18.449 5 137 Jex AR et al. (2011) Nature 479:529–533; Wang J et al. (2012) Dev Cell 23:1072–1080

Trichinella spiralis 58,5 3,4 26,7 16.380 4 128 Mitreva M et al. (2011) Nat Genet 43:228–235

Tab. 1: Übersicht über Nematoden-Genome im Vergleich zum menschlichen Genom.

Spezies Größe des Anteil an Anteil der Anzahl der Anzahl Exonlänge Genompublikationassemblier- repetitiven Protein- Protein- der Exons (Median, ten Genoms Sequenzen codierenden codierenden pro Gen bp)(Mb) (%) Sequenzen Gene (Median)

(%)

609

BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

reiche Gene durch HGT aus verschiedenstenOrganismen, z. B. Bakterien, Pilzen, Amöben,Endosymbionten und Arthropoden über-nommen haben. Dies ist auch eine der wich-tigsten Erkenntnisse aus den verschiedenenSequenzierprojekten, da dieser Prozess inEukaryoten als sehr selten galt [7].

Zur Verdeutlichung beschreiben wir in derFolge das Beispiel der Zellulasen [8–10]. EineRekonstruktion der phylogenetischen Ver-wandtschaften der Zellulasen, die in ver-schiedenen Nematoden gefunden wurden,lässt darauf schließen, dass diese Gene inunabhängigen Übertragungsereignissen vonverschiedenen Mikroorganismen auf diejeweiligen Nematoden übergegangen sind.Diese Studien weisen auch darauf hin, dassbei den Genen nach den HGT-EreignissenGenduplikationen stattgefunden haben. Fallsdiese erworbenen Gene in ihren neuen Trä-gern tatsächlich Funktionen übernommenhaben, so würde man erwarten, dass sie aktivund langlebig sind und unter positiver Selek-tion stehen [11]. Diese Voraussagen für einen

bestimmten HGT-Fall zu testen, erfordert einedetaillierte Analyse der evolutionären Ge -schichte der betroffenen Gene und einegenaue Kenntnis der stammesgeschichtlichenVerwandtschaftsverhältnisse der Träger die-ser Gene. Einen Fall, der diese Anforderungenerfüllt, bilden die Cellulasegene in verschie-denen Arten der Gattung Pristionchus. In die-sen Arten ist eine enzymatische Cellulase-Aktivität strikt mit dem Vorhandensein undder Expression von Cellulasegenen korreliert.Die Cellulasegene haben sich über mehrereArtaufspaltungen erhalten (Langlebigkeit),und ihre Sequenzen liefern Hinweise auf posi-tive Selektion [9].

Gene in Nematoden-Genomen sind in„Operons“ organisiertIn C. elegans sind ungefähr 25 Prozent allerGene in „Operons“ organisiert, das heißt, dassmehrere, häufig funktional nicht gekoppelteGene von einem Promotor ausgehend in einegemeinsame, polycistronische Prä-mRNAtranskribiert werden [12]. Anders als bei den

evolutionär nicht verwandten bakteriellenOperons wird diese dann durch das Anhängeneines 22 Nukleotide langen Stücks RNA (desspliced leaders) an die jeweiligen 5’-Enden(trans-splicing) und durch Polyadenylierungam jeweiligen 3’-Ende in einzelne mRNAs,die für je ein Protein codieren, aufgespalten.Bisher wurden Operon-ähnliche Genclusterin allen sequenzierten Nematoden-Genomengefunden.

Kein Gen für ParasitismusHoffnungen, dass sich aus den Genomse-quenzen allgemein gültige Rückschlüsse aufdie Entstehung parasitischer Lebensweisenziehen lassen, wurden bisher nicht erfüllt.Einige genomische Eigenschaften, die imZusammenhang mit der Ökologie bestimm-ter Arten Sinn machen, wurden jedoch gefun-den, wie z. B. der Erwerb von Zellwand-abbau-enden Enzymen in pflanzenparasitischenNematoden durch HGT. Wie erwartet, korre-liert die Ähnlichkeit von homologen Protei-nen häufig mit dem Verwandtschaftsgrad der

Arten, in denen sie gefunden wurden. Bisherwurden aber keine genomischen Eigenheitenentdeckt, die Arten mit ähnlicher Ökologie,aber einer großen phylogenetischen Distanzgemeinsam hätten. Es scheint, dass jede para-sitische Linie ihren eigenen Weg gefundenhat, die neue Lebensweise anzunehmen, unddass es keine starken evolutionären Ein-schränkungen gibt, die ganz bestimmteLösungen erzwingen würden.

DanksagungWir danken Metta Riebesell für die kritischeDurchsicht des Manuskripts. ó

Literatur[1] Lee DL (2002) The Biology of Nematodes. Taylor &Francis, London[2] Sommer RJ, Streit A (2011) Comparative genetics andgenomics of nematodes: genome structure, development, andlifestyle. Ann Rev Genet 45:1–20[3] Blaxter ML, De Ley P, Garey JR et al. (1998) A molecularevolutionary framework for the phylum Nematoda.Nature 392:71–75[4] Holterman M, van der Wurff A, van den Elsen S et al.(2006) Phylum-wide analysis of SSU rDNA reveals deep phylo-genetic relationships among nematodes and accelerated evo-lution toward crown clades. Mol Biol Evol 23:1792–1800[5] Wasmuth J, Schmid R, Hedley A et al. (2008) On theextent and origins of genic novelty in the phylum Nematoda.PLoS Negl Trop Dis 2:e258[6] Katju V, Lynch M (2006) On the formation of novel genesby duplication in the Caenorhabditis elegans genome.Mol Biol Evol 23:1056–1067[7] Andersson JO (2005) Lateral gene transfer in eukaryotes.Cell Mol Life Sci 62:1182–1197[8] Danchin EG, Rosso MN , Vieira P et al. (2010) Multiplelateral gene transfers and duplications have promoted plant

parasitism ability in nematodes. Proc Natl Acad Sci USA 107:17651–17656[9] Mayer WE, Schuster LN, Bartelmes G et al. (2011)Horizontal gene transfer of microbial cellulases into nematodegenomes is associated with functional assimilation and geneturnover. BMC Evol Biol 11:13[10] Mitreva M, Smant G, Helder J (2009) Role of horizontalgene transfer in the evolution of plant parasitism amongnematodes. Methods Mol Biol 532:517–535[11] Blaxter M (2007) Symbiont genes in host genomes: fragments with a future? Cell Host Microbe 2:211–213[12] Blumenthal T (2005) Trans-splicing and operons.In: WormBook T. C. e. R. Community (Hrsg). WormBook,doi: 10.1895/wormbook.1.5.1

Korrespondenzadresse:PD Dr. Adrian StreitMax-Planck-Institut für EntwicklungsbiologieAbteilung EvolutionsbiologieSpemannstraße 35D-72076 TübingenTel.: 07071-601-403Fax: 07071-601-498adrian.streit@tuebingen.mpg.de

AUTORENChristian Rödelsperger2000–2007 Bioinformatikstudium an der Universität Tübingen. 2007–2011 wissen-schaftlicher Mitarbeiter an der Charité – Universitätsmedizin Berlin und Promotion ander FU Berlin. Seit 2011 Postdoc in der Abteilung Evolutionsbiologie, Max-Planck-Insti-tut für Entwicklungsbiologie, Tübingen.

Adrian Streit1985–1994 Biologiestudium und Promotion an der Universität Bern, Schweiz. 1994–1997 Postdoc an der University of Colorado, Boulder, USA, und 1997–1999an der Universität Zürich, Schweiz. 1999–2003 Assistent an der Universität Fribourg,Schweiz. Seit 2003 Projektgruppenleiter in der Abteilung Evolutionsbiologie,Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen (permanent seit 2008).

BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

WISSENSCHAFT610

˚ Abb. 2: Nematoden-Genome im Vergleich. A, Homologiesuchen mithilfe der Software BLAST in 14 Genomen zeigen, dass bis zu 48 Prozent der Genekeine erkennbaren Verwandten in anderen Nematoden haben. B, Analysen von exprimierten Genfragmenten (ESTs) in 25 Spezies zeigen keine Sättigungin der Anzahl der ESTs ohne Homologe. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichungen nach Permutation der Speziesabfolge.

A B