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Spurensuche im Flunder-Erbgut

03.02.2014
Was hat die chinesische Flunder mit einem Vogel gemeinsam? Beide haben im Laufe der Evolution den gleichen Mechanismus der Geschlechtsbestimmung entwickelt – und das völlig unabhängig voneinander. Das hat ein internationales Team von Wissenschaftlern mit Würzburger Beteiligung jetzt entdeckt.

Welches Geschlecht ein Säugetier – und damit auch der Mensch – und eine Reihe anderer Lebewesen entwickeln, darüber entscheidet in der Regel eine ganz bestimmte Kombination von Chromosomen: XX steht für weiblich; XY für männlich.

Die Natur kennt allerdings eine Vielzahl unterschiedlicher Wege der Geschlechtsbestimmung. So findet sich beispielsweise bei Vögeln, den meisten Schlangen, einigen Fischen und sogar Schmetterlingen das sogenannte ZW/ZZ-System. In diesem Fall tragen die Weibchen in ihren Zellen ein W- und ein Z-Chromosom, während die Männchen über zwei Z-Chromosomen verfügen.

Das gilt auch für die chinesische Flunder Cynoglossus semilaevis – einen begehrten Speisefisch aus Asien, der dort in Aquakultur gezüchtet wird und bis zu 40 Zentimeter lang werden kann.

Publikation in Nature Genetics

Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, das Genom dieser Flunderart vollständig zu entschlüsseln. Zum überhaupt ersten Mal konnten sie dabei auch ein W-Chromosom komplett sequenzieren und dessen Entstehung im Laufe der Evolution rekapitulieren. An der Arbeit maßgeblich beteiligt war der Würzburger Biochemiker und Genetiker Professor Manfred Schartl. Schartl hat am Biozentrum der Universität den Lehrstuhl für Physiologische Chemie inne. Die Fachzeitschrift Nature Genetics hat die Ergebnisse dieser Arbeit jetzt veröffentlicht.

„Unsere Arbeit zeigt, dass sich bei der chinesischen Flunder im Laufe der Evolution die gleichen Ur-Chromosomen zu Geschlechtschromosom entwickelt haben wie bei Vögeln – in beiden Fällen haben die Geschlechtschromosomen den jeweils gleichen Vorfahren. Und dieser Prozess hat sich zu unterschiedlichen Zeiten völlig unabhängig voneinander vollzogen“, fasst Schartl das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit zusammen. Erstaunlicherweise hat sogar auch das Gen, das bei Vögeln für die Geschlechtsbestimmung maßgeblich verantwortlich ist – dmrt1 – bei der Flunder eine den Vögeln vergleichbare Entwicklung durchlaufen.

Geschlechtschromosome bereiten Probleme

Wenn Wissenschaftler Geschlechtschromosomen sequenzieren wollen, stehen sie vor einem Berg von Problemen: „Diese Chromosomen haben im Laufe der Evolution einerseits einen starken Degenerationsprozess durchlaufen. Andererseits weisen sie DNA-Abschnitte auf, die sich extrem oft wiederholen“, sagt Manfred Schartl. Das macht die Suche nach einzelnen Genen und deren Organisation so aufwendig und ist wohl auch der Grund dafür, weshalb bislang nur äußerst wenige Y-Chromosomen vollständig sequenziert wurden – unter anderem beim Menschen und beim Schimpansen. Über die genetische Information der W-Chromosomen lagen noch weniger Informationen vor. Für die jetzt veröffentlichte Arbeit haben die Forscher zum überhaupt ersten Mal ein W-Chromosom vollständig sequenziert.

Dass sich das Team bei seiner Untersuchung auf eine Flunder konzentrierte, hat vor allem zwei Gründe: „Fische gehören zu den Lebewesen, die in erdgeschichtlichen Dimensionen betrachtet erst vor relativ kurzer Zeit Geschlechtschromosomen entwickelt haben“, erklärt Schartl. Anders als bei Vögeln, bei denen dieser Zeitpunkt etwa 200 Millionen Jahre zurückliegt, hatten die Fischchromosomen demnach vergleichsweise wenig Zeit zu degenerieren. Darüber hinaus besitzen Flundern ein vergleichsweise kleines Genom.

Das Erbgut der Flunder

21.516 Protein-kodierende Gene zählten die Wissenschaftler im Erbgut der chinesischen Flunder – etwa 20.000 bis 25.000 sind es nach Aussagen des Nationalen Genomforschungsnetzes beim Menschen. Vor etwa 197 Millionen Jahren hat sich die Linie der Flundern aus der der anderen Knochenfische heraus entwickelt. Deutlich später, nämlich vor erst rund 30 Millionen Jahren, haben sich die Geschlechtschromosomen der Flundern entwickelt – lange nachdem sich die Stammbäume von Säugetieren, Vögeln und Fischen auseinander dividiert hatten.

Rund 1000 Gene trägt das Z-Chromosom der Flunder, 317 sind es auf dem W-Chromosom. Das sind deutlich mehr im Vergleich zu Vögeln, die 26 Gene auf dem W-Chromosom besitzen. Und auch deutlich mehr im Vergleich zu Mensch und Schimpanse, auf deren Y-Chromosomen 40 bis 80 intakte Gene zu finden sind. „Diese Beobachtung spricht für einen vergleichsweise jungen evolutionären Ursprung der Geschlechtschromosome der Flunder“, sagt Schartl. Vereinfacht gesagt, hatte das W-Chromosom der Flunder noch nicht genug Zeit, in ähnlicher Weise zu degenerieren wie die Chromosomen von Vögeln und Säugetieren – denen dafür immerhin mehrere hundert Millionen Jahre zur Verfügung standen.

Was das Geschlecht bestimmt

Was bestimmt letztendlich das Geschlecht: Ein Gen auf dem Z-Chromosom, das männliche Attribute verantwortet? Oder ein Gen auf dem W-Chromosom, das seinen Träger zur Trägerin macht? Oder eine Kombination von beidem? Für Vögel ist diese Frage noch ungeklärt; deshalb hat das Forscherteam am Beispiel der chinesischen Flunder versucht, eine Antwort zu finden. „Die Flunder bietet sich dafür an, weil es bei ihr möglich ist, die Geschlechtsentwicklung zu ändern, indem man die Nachkommen höheren Temperaturen aussetzt“, sagt Schartl. Während bei einer Umgebungstemperatur von 22 Grad zum Zeitpunkt der entsprechenden Entwicklungsperiode 14 Prozent des Flunder-Nachwuchses spontan ihr Geschlecht ändern, steigt diese Rate bei 28 Grad auf bis zu 73 Prozent. Anstelle von Weibchen entwickeln sich dann sogenannte Pseudo-Männchen.

In ihrer Studie kreuzten die Wissenschaftler diese Pseudo-Männchen mit normalen Weibchen und ließen den Nachwuchs bei normalen Temperaturen aufwachsen. Das überraschende Ergebnis: ein deutlicher Männerüberschuss. Wie zu erwarten, waren alle ZZ-Träger männlich; nicht zu erwarten war hingegen, dass sich auch 94 Prozent der ZW-Träger zu Pseudo-Männchen entwickelten. „Diese Experimente zeigen, dass die Geschlechtsbestimmung der Flundern über einen Mechanismus auf dem Z-Chromosom gesteuert wird, der eine männliche Entwicklung in die Wege leitet“, erklärt Schartl die Ergebnisse. Dennoch können die Wissenschaftler nicht mit hundertprozentiger Sicherheit ausschließen, dass es nicht doch noch einen zweiten Mechanismus gibt, der von Genen gesteuert wird, die ebenfalls auf dem Z-Chromosom liegen, und der bei hohen Temperaturen anläuft.

Ein Chromosom verschwindet

Ist das Y-Chromosom des Menschen vom Aussterben bedroht? Diese Frage wurde und wird in der Wissenschaft immer mal wieder diskutiert. Immerhin hat es im Laufe der Evolution einen Großteil seiner genetischen Information bereits verloren. Wie Forscher vor Kurzem zeigen konnten, hat sich dieser Verlust in den vergangenen 25 Millionen Jahren allerdings deutlich verlangsamt. Das lässt den Schluss zu, dass der Verlust sehr viel früher geschehen sein muss.

Etwa 30 Millionen Jahre existiert das W-Chromosom der chinesischen Flunder. In dieser Zeit hat es rund zwei Drittel seiner ursprünglichen genetischen Information verloren. Behält der Prozess diese Geschwindigkeit bei, wird das W-Chromosom in wenigen zehn Millionen Jahren auf dem Stand sein, auf dem sich heute das Y-Chromosom des Menschen befindet.

Aus Sicht der Wissenschaftler zeigt diese Beobachtung, dass der Verlust von Genmaterial auf Geschlechtschromosomen ein frühes und schnelles Phänomen in ihrer Entwicklung sein muss.

“Whole-genome sequence of a flatfish provides insights into ZW sex chromosome evolution and adaptation to a benthic lifestyle”. Nature Genetics, online published on 2 February. DOI: 10.1038/ng.2890

Kontakt

Prof. Dr. Manfred Schartl, T: (0931) 31-84149
phch1@biozentrum.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

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