Das Genom dieses Organismus ist ein „Berg aus DNA-Müll“, und er wächst

Südamerikanischer Lungenfisch (Bildnachweis: Katherine Seghers, Louisiana State University)

Das Leben wird immer seinen eigenen Weg finden, auch wenn einer dieser Wege darin bestehen kann, „Müll aufzusammeln“.

Im August sprang in einem kleinen Teich in Afrika ein großer schwarzer Fisch aus dem Wasser. Es öffnete sein Maul weit, schluckte mit einem Geräusch wie ein Blasebalg genügend Luft und tauchte wieder unter Wasser.

Das ist ein Lungenfisch . Lungenfische haben Kiemen wie andere Fische, aber sie haben auch eine sehr primitive Lunge . Die Innenseite der Lunge ist sogar mit zahlreichen wabenförmigen Hohlräumen bedeckt, in denen die frisch geschluckte Luft ausgetauscht wird und so das Überleben in der Trockenzeit gesichert ist.

Unserer Meinung nach scheinen Lungen eine Struktur zu sein, die nur bei Landtieren vorkommt. Es ist kein Wunder, dass man vor den 1980er Jahren glaubte, der Lungenfisch sei der Vorfahre aller Tetrapoden, einschließlich des Menschen. Heute wissen wir jedoch, dass unsere Vorfahren zwar einst denselben Lebensraum wie die Lungenfische bewohnten, die Lungenfische jedoch nicht unsere direkten Vorfahren sind.

Vor 420 Millionen Jahren trennten sich die beiden Fischgruppen. Eine davon landete an Land und brachte nach einer langen Evolutionsphase den Menschen hervor, während die andere nahezu unverändert blieb. Das älteste bekannte Lungenfischfossil wurde vor 400 Millionen Jahren in den Schichten des frühen Devon entdeckt. Doch heute, 400 Millionen Jahre später, sieht der lebende Australische Lungenfisch (Neoceratodus forsteri) genauso aus wie das Fossil. Heute gibt es von diesen Lebewesen, den sogenannten „lebenden Fossilien“, nur noch sechs Arten, darunter eine in Australien, eine in Südamerika und vier in Afrika.

Illustration: Brian Choo

Riesiges Genom

Die Tatsache, dass sich ihre Körperform kaum verändert hat, bedeutet nicht, dass Lungenfische im Laufe ihrer langen Evolution nichts dazugewonnen hätten – sie haben ein riesiges Genom hinzugewonnen. Der südamerikanische Lungenfisch (Lepidosiren paradoxa) verfügt über mehr als 91 Milliarden Basenpaare DNA und ist damit die größte Anzahl aller bisher sequenzierten Arten.

Bevor das Genom des südamerikanischen Lungenfischs sequenziert wurde, hielten der australische Lungenfisch und der afrikanische Lungenfisch (Protopterus annectens) den Rekord, deren Genome etwa 40 Milliarden Basenpaare umfassten. Zum Vergleich: Das menschliche Genom hat nur 3 Milliarden Basenpaare . Von den 19 Chromosomen des südamerikanischen Lungenfisches sind allein 18 größer als das gesamte menschliche Genom.

Ein so großes Genom wird die Forschung sicherlich mit großen Schwierigkeiten bescheren. Der Prozess der Genomsequenzierung ähnelt ein wenig dem Zusammensetzen eines Puzzles. Frühere Sequenzierungstechnologien konnten jeweils nur einen sehr kurzen Abschnitt der Gensequenz lesen, was dem Festlegen der Größe jedes einzelnen Puzzleteils gleichkam. Wenn das gesamte Puzzle sehr groß wird, erhöht sich die Anzahl der Teile dramatisch.

Mit der Entwicklung der Technologie zur Sequenzierung langer Leseabschnitte in den letzten Jahren können Forscher jedoch Sequenzen mit Tausenden oder sogar Zehntausenden von Basen gleichzeitig lesen, was uns die Möglichkeit gibt, das Gesamtbild dieser riesigen Genome zu erkennen.

Unabhängig davon, ob es sequenziert wurde oder nicht, hält der Lungenfisch (Protopterus aethiopicus) den Rekord für das größte Genom aller Tiere auf der Erde, dicht gefolgt vom Schlammsalamander (Necturus lewisi) des Neuse River. (Bildquelle: Global Science, Ausgabe März 2022, „Salamander: Eine langsame Evolutionslegende“)

Im Jahr 2021 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Evolutionsbiologen Axel Meyer von der Universität Konstanz und des Biochemikers Manfred Schartl von der Universität Würzburg seine Ergebnisse in Nature und rekonstruierte dabei den größten Teil der Genomsequenz des australischen Lungenfisches.

Dieses Forschungsteam erschien kürzlich erneut in „Nature“ und entschlüsselte die vollständigen Genomsequenzen des afrikanischen und des südamerikanischen Lungenfisches. Diese Studie brachte nicht nur das bislang größte Ergebnis einer Genomsequenzierung, sondern ermöglichte es uns auch , den Prozess des „Wachstums“ des Lungenfischgenoms zu beobachten.

Eine Belastung

Ein großes Genom bedeutet nicht, dass mehr nützliche Informationen vorhanden sind. Von den drei Milliarden Basenpaaren, die die genetische Information des Menschen speichern, gibt es nur etwa 20.000 Gene im herkömmlichen Sinne oder DNA-Segmente, die Proteine ​​kodieren. Der Rest galt einst als bedeutungslose „Junk-DNA“.

Zum Vergleich: Das Genom des südamerikanischen Lungenfisches ist mehr als 30-mal größer als das des Menschen, enthält aber nur etwa 20.000 Sequenzen, die tatsächlich Proteine ​​kodieren. Das bedeutet, dass sich in ihren Genomen noch mehr „Müll“ befindet. Tatsächlich stellten die Forscher fest, dass mehr als 90 Prozent der Gene des südamerikanischen Lungenfisches repetitive Sequenzen sind.

Diese 90 % „Müll“ haben einen anderen Namen: Transposons oder springende Gene, das sind DNA-Fragmente, die in Genen herumspringen können. Das Problem besteht darin, dass die meisten von ihnen nicht nur in Genen „springen“, sondern sich auch selbst in eine große Anzahl von Kopien „kopieren“ und diese dann einzeln in das Genom einfügen können. Diese „neuen“ Fragmente können sich weiterhin selbst replizieren und sich so wie Viren in großer Zahl in den Genen „vermehren“. Auf diese Weise vervielfältigen sich Transposons in den Genen der Lungenfische weiter und erweitern deren Gene auf eine so große Größe .

Aufgrund dieser Eigenschaft wurden Transposons früher als „egoistische Gene“ oder „genetische Parasiten“ bezeichnet. Wenn Transposons in großem Umfang aktiv sind oder sich sogar in wichtige Gene einfügen, hat dies offensichtlich schwerwiegende Folgen für den „Wirt“. In den meisten Fällen können wir also feststellen, dass Organismen auch einen vollständigen Satz von Abwehrmechanismen entwickelt haben. Beispielsweise können Zinkfingerproteine ​​vom KRAB-Typ spezifische DNA-Sequenzen erkennen und an Transposons binden, wodurch Transposons auf epigenetischer Ebene stummgeschaltet werden. In Keimzellen zielt piRNA auf Transposons und bildet doppelsträngige RNA, um der Invasion von Transposons zu widerstehen.

Lungenfischen scheint dieses Merkmal jedoch zu fehlen . Die Forscher stellten fest, dass das Genom des südamerikanischen Lungenfisches im Vergleich zu dem des Menschen und anderer Lungenfische deutlich weniger Gene aufweist, die mit piRNA und Zinkfingerproteinen vom KRAB-Typ in Zusammenhang stehen (Menschen und andere Lungenfische haben etwa 300 Kopien, während der südamerikanische Lungenfisch nur 23 hat). Vielleicht liegt es gerade am Verlust der Fähigkeit, Transposons zu enthalten, dass der südamerikanische Lungenfisch ein so riesiges Genom besitzt.

Das Endergebnis ist, dass sich das Genom des südamerikanischen Lungenfischs schneller ausdehnt als alle anderen bekannten Arten: Im Durchschnitt wächst es alle 10 Millionen Jahre auf die Größe eines menschlichen Genoms an , und diese Wachstumsrate halten sie seit mindestens 100 Millionen Jahren aufrecht. „Und es wächst weiter“, sagte Meyer. „Wir haben Hinweise darauf, dass Transposons im Genom des südamerikanischen Lungenfisches auch heute noch aktiv sind.“

Die Kosten der Expansion

Dies führt uns zu der Frage: Welche Überlebenskosten bringt ein riesiges Genom mit sich? Diese Kosten können wir deutlich bei einem anderen Organismus sehen, der ebenfalls über ein großes Genom verfügt: dem Salamander .

Die Genomgrößen verschiedener Salamanderarten variieren stark, von „nur“ 10 Milliarden Basenpaaren bis hin zu ganzen 120 Milliarden, ebenfalls vollgepackt mit Transposons. Diese „Lasten“ im Genom haben dazu geführt, dass viele Salamander zu „Riesenbabys“ herangewachsen sind: Wie der Neuse-River-Schlammsalamander haben sie empfindliche Kiemen, schwache Gliedmaßen und ein extrem einfaches Gehirn und sind nicht in der Lage, den Metamorphoseprozess während ihres Lebens abzuschließen.

Eine mögliche Antwort lieferte 2018 eine Studie. Die Forscher rekonstruierten das Genom des mexikanischen Axolotl (Ambystoma mexicanum), das insgesamt 32 Milliarden Basenpaare enthält. Sie fanden heraus, dass Transposons nicht einfach zwischen Genen verstreut sind, sondern auch in großer Zahl in den Intronregionen innerhalb von Genen vorkommen. Wenn ein Gen exprimiert wird, wird der gesamte DNA-Abschnitt, einschließlich der Introns, in eine RNA-Kette transkribiert. Anschließend müssen die Introns entfernt werden, damit die verbleibende Sequenz als Vorlage für die Proteinproduktion dienen kann.

Mexikanischer Axolotl (Fotoquelle: pixabay)

Da die Tiere so viele Transposons enthalten, können ihre Intronsequenzen bis zu 13 Mal so lang sein wie die Introns in menschlichen Genen. Die Produktion ihrer RNA dauert daher länger und die Anweisungen zur Zelldifferenzierung brauchen länger, um wirksam zu werden. Dadurch wird das Wachstum aller Körperteile erschwert .

Lungenfische scheinen nicht unter einem ähnlichen Schicksal zu leiden. Im Jahr 2021 analysierten die Northwestern Polytechnical University, die South China Agricultural University, das Wuhan Institute of Hydrobiology, die Chinese Academy of Sciences, das Shenzhen Institute of Agricultural Genomics, die Chinese Academy of Agricultural Sciences, BGI und andere Institutionen in einer im Jahr 2021 in Cell veröffentlichten Studie gemeinsam das erste vollständige und qualitativ hochwertige supergroße Genom des Afrikanischen Lungenfisches. Die Ergebnisse zeigten, dass die Introns des Afrikanischen Lungenfisches ebenfalls sehr lang waren, mit fast 16 GB Introns im gesamten Genom.

Das längste Gen beim afrikanischen Lungenfisch ist 18 Mb lang und damit viel länger als das des mexikanischen Axolotl (6,7 Mb) und des Menschen (2,5 Mb). Durch die Untersuchung der Transkriptomdaten stellten die Forscher fest, dass kein klarer Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Genexpression und der Genlänge besteht. sogar Gene, die länger als 1 MB sind, zeigten ähnliche Expressionsniveaus wie andere kürzere Gene. Mit anderen Worten: Veränderungen der Genlänge scheinen wenig Einfluss auf die Genexpression beim Afrikanischen Lungenfisch zu haben. „Diese Ergebnisse“, heißt es in dem Artikel, „legen nahe, dass die Transkriptionseffizienz ultralanger Gene bei Lungenfischen erhöht werden könnte, um ein Gleichgewicht in der Genexpression aufrechtzuerhalten.“

Jeder Schritt der Anmeldung

Bei genauerer Betrachtung der Veränderungen im Genom des Lungenfisches wird auch der evolutionäre Prozess erkennbar, den die Vorfahren der Tetrapoden im Übergangsstadium vom Wasser zum Land durchliefen. Dieser Prozess erfordert eine Reihe von Neuerungen im Leben: Atmung mit Lungen, Gliedmaßen mit Stützfähigkeit, Haut, die mit Trockenheit klarkommt und völlig andere Bewegungshaltungen …

Lungenfische besitzen nicht nur primitive Lungen , sie haben auch eine stark erhöhte Anzahl an Genen, die für das pulmonale Surfactant-Protein B kodieren, ein komplexes Lipoprotein, das die relative Stabilität der Alveolargröße aufrechterhalten kann. Die Zahl verwandter Gene ist bei Lungenfischen zwei- bis dreimal so hoch wie bei Knochen- und Knorpelfischen, was mit der typischen Zahl bei Tetrapoden übereinstimmt. Gleichzeitig haben sich bei Lungenfischen auch die für den Geruchssinn zuständigen Gene vermehrt – eine Voranpassung an das Leben in der Luft.

Eine weitere wichtige Veränderung findet an den Gliedmaßen statt. Lungenfische und Latimeria sind beides Quastenflosser und ihre Flossen haben bereits rudimentäre Knochen, die ihnen ein gewisses Maß an Halt bieten. Auch die Genomsequenz vervollständigte die Geschichte: Die Forscher entdeckten im Genom des Lungenfisches Gene, die mit der Entwicklung der Gliedmaßen bei Tetrapoden in Zusammenhang stehen – ein Muster, das bei anderen Fischen zuvor noch nie beobachtet worden war. Dies lässt darauf schließen, dass „die frühen Quastenflosser bereits eine gliedmaßenähnliche Genexpression entwickelt hatten und sich so auf die spätere Anpassung an die Vierbeiner vorbereiteten.“

Von den heute lebenden Lungenfischen besitzt allerdings nur der Australische Lungenfisch die dicken, fleischigen Flossen seiner Vorfahren. In den letzten 100 Millionen Jahren sind die Brust- und Bauchflossen afrikanischer und südamerikanischer Lungenfische zu filamentösen Formen degeneriert. (Bildnachweis: Katherine Seghers, Louisiana State University)

Die Forscher machten sogar einige unerwartete Entdeckungen. In einer 2021 in Cell veröffentlichten Studie stellten Forscher fest, dass das Protein Neuropeptid S und sein Rezeptor, die eng mit der Angstlinderung verwandt sind, einst gemeinsam bei den Vorfahren von Lungenfischen und Tetrapoden auftraten. In Übereinstimmung damit entwickelte auch die Amygdala des Gehirns, beginnend bei den Vorfahren der Lungenfische und Tetrapoden, eine relativ ausgereifte mehrteilige Struktur. Die Forscher spekulieren, dass die Vorfahren der Lungenfische und Tetrapoden möglicherweise besser mit Angst umgehen konnten, als Anpassung an die radikal unterschiedlichen Umweltstörungen der Luftatmung und des Lebens an Land.

Verweise

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07830-1#author-information

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03198-8#ref-CR19

[3]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8

[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/1054265

[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/907686

[6]http://www.kiz.ac.cn/xwzx/news5/202102/t20210226_5961028.html

[7] Global Science, März 2022, „Salamander: Eine langsame Evolutionslegende“

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Erqi

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin