Evolution der Homospermidin-Synthase in den Convolvulaceae und Apocynaceae

Kaltenegger, Elisabeth

Die Homospermidin-Synthase (HSS) ist ein Schlüsselenzym der Pyrrolizidin-Alkaloid-(PA)-Biosynthese. Am Beispiel der HSS wurde die Evolution von Enzymen und neuen Funktionen untersucht. Dabei erwiesen sich unabhängige und wiederholte Genduplikationen gefolgt von Subfunktionalisierung als die molekularen Mechanismen der Evolution. In den untersuchten Familien wurde jeweils eine Duplikation und die anschließende Rekrutierung einer Tochterkopie für eine neue Funktion nachgewiesen. Die Subfunktionalisierung erfolgte durch einen Wechsel der Substratspezifität. Der Einfluss positiver Selektion als Triebkraft zur Evolution der neuen Funktion wurde statistisch nicht belegt. Das vermutlich häufigste Schicksal duplizierter Gene - die Nonfunktionalisierung - belegten Pseudogene des hss-Gens in PA-freien Convolvulaceae-Arten. Des weiteren konnte eine räumliche Trennung der Expression der duplizierten Gene nachgewiesen werden, welche als Voraussetzung zur Evolution neuer Funktionen diskutiert wird.

Homospermidine synthase (HSS) catalyzes a key step in the biosynthesis of pyrrolizidine alkaloids (PAs). HSS was used to investigate the evolution of enzymes and new functions. Independent and repeated gene duplication followed by subfunctionalization were shown to be the underlying molecular mechanisms. In each investigated family one independent duplication and subsequent recruitment of one copy to a new function was found. Subfunctionalization was achieved by a change of substrate specificity. Positive selection was tested to be the driving force to adopt new functions after duplication but no statistically significant support was found. The most common fate of duplicated genes - nonfunctionalization - was documented in PA-free Convolvulaceae species where pseudogenes of the hss gene were found. Furthermore, we could document division of spatial expression of the duplicated genes, which may represent an important prerequisite of subfunctionalization.

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Kaltenegger, Elisabeth: Evolution der Homospermidin-Synthase in den Convolvulaceae und Apocynaceae.

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