Weniger ist mehr: Verlust von Genen während der Evolution

Fledermaus an einer Futterstation. Renato Recoder

Die Artenvielfalt ist einer der faszinierendsten Aspekte der Natur. Alle Lebensräume auf unserem Planeten, sei es zu Land, zu Wasser oder in der Luft, sind von Tierarten bewohnt, die sich auf erstaunliche Art und Weise an ihre Umwelt angepasst haben. Ein Vergleich der Gene zwischen verschiedenen Spezies kann Aufschluss darüber geben, wie sich diese Artenvielfalt entwickeln konnte.

Im Laufe der Evolution können entweder neue Gene entstehen, oder sie mutieren, werden dupliziert oder können sogar verloren gehen. Um zu klären, inwieweit Genverluste zu den verschiedensten Anpassungen beitragen können, entwickelten Michael Hiller und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden eine computergestützte Methode zur Bestimmung von Genverlusten.

Die Forscher untersuchten systematisch die Genome von 62 Säugetieren, um zu analysieren, welche Gene in welcher Art verloren gehen. Ihre Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, zeigen eine Reihe von bisher unbekannten Genverlusten, die als Folge einer früheren, schon bestehenden Anpassung aufgetreten sein könnten oder – noch interessanter – eine wichtige Rolle bei der Entwicklung einer neuen morphologischen oder physiologischen Anpassung gespielt haben könnten.

Der Verlust von Genen wird in der Regel als nachteilig erachtet, da er mit Fehlentwicklungen oder Krankheiten verbunden ist. Allerdings kann der Verlust von Genen aber auch von Vorteil für ein Lebewesen sein, zum Beispiel, wenn dieser Verlust zur Anpassung an bestimmte Umweltbedingungen oder neue Lebensbedingungen beiträgt.

Eines der vielen Beispiele, welche die Forscher um Michael Hiller, der auch mit dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme und dem Zentrum für Systembiologie Dresden zusammenarbeitet, untersucht haben, ist der komplette Verlust von Haaren und Fell bei Delphinen und Walen. Bei diesen Arten, die ausschließlich im Wasser leben, können Haare nicht mehr zum Wärmen des Organismus dienen, sondern sie würden sogar das Schwimmen verlangsamen.

Somit ist der Haarausfall ein Vorteil für Delfine und Wale. Virag Sharma, der Erstautor der Studie, erzählt: „Wir zeigen in unserer Studie, dass diese Säugetiere mehrere Gene verloren haben, die für die Haarbildung benötigt werden. Das deutet darauf hin, dass der Genverlust höchstwahrscheinlich eine Rolle beim Verlust ihres Fells gespielt haben wird.“

Die Studie liefert außerdem neue Erkenntnisse darüber, wie sich bestimmte Fledermäuse, die sich ausschließlich von Fruchtsaft ernähren, an eine vorwiegend zuckerhaltige Nahrung angepasst haben. Die Regulierung der Aufnahme und Verstoffwechselung von Zucker ist die Aufgabe von Insulin, einem Hormon, das in Diabetes-Patienten nicht mehr richtig wirkt und was nicht mehr in ausreichender Menge in Diabetikern produziert wird.

Überraschenderweise fanden die Forscher heraus, dass den früchtefressenden Fledermäusen Gene fehlen, welche die Ausschüttung von Insulin hemmen und dessen Wirkung unterdrücken. Der Verlust dieser Gene bedeutet also, dass Faktoren, die die Zuckerverstoffwechselung hemmen, ausgeschaltet wurden. Für Arten, die eine zuckerreiche Nahrung konsumieren, ist das sicherlich ein Vorteil.

Interessanterweise konnten die Wissenschaftler auch zeigen, dass Arten, die nicht nahe miteinander verwandt sind, aber die gleichen Anpassungsmerkmale an ihre Umwelt entwickelt haben, genau die gleichen Gene verloren haben. Ein Beispiel dafür ist ein Gen, das nur bei den Säugetieren verloren gegangen ist, deren Körper mit Schuppen gepanzert sind, wie es beim Schuppentier und Gürteltier der Fall ist. Dieses Gen ist wichtig, um DNA-Schäden zu reparieren, die durch UV-Licht verursacht werden. Das lässt vermuten, dass die Schuppen die Haut dieser gepanzerten Tiere ausreichend gut vor UV-Licht schützen, so dass diese Säugetiere das DNA- Reparaturgen nicht mehr benötigen.

Michael Hiller, der Studienleiter, fasst zusammen: „Unsere Ergebnisse liefern umfangreiche Belege für das evolutionäre Potenzial von Genverlusten. Im Laufe der Evolution kann ein Verlust von Genen also nicht nur schädigend wirken, sondern unter besonderen Umständen sogar von Vorteil sein. Zurzeit werden die Genome zahlreicher Spezies in rasantem Tempo sequenziert, was die Grundlage liefert, um die Rolle von Genverlusten bei der Ausbildung charakteristischer Merkmale verschiedener Arten weiter zu untersuchen.“

Publikation:
Virag Sharma, Nikolai Hecker, Juliana G. Roscito, Leo Foerster, Bjoern E. Langer & Michael Hiller: A genomics approach reveals insights into the importance of gene losses for mammalian adaptations. Nature Communications, 23. März 2018, doi:10.1038/s41467-018-03667-1

Über das MPI-CBG
Das Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) ist eines von 84 Instituten der Max-Planck-Gesellschaft, einer unabhängigen gemeinnützigen Organisation in Deutschland. 500 Menschen aus 50 Ländern aus den verschiedensten Disziplinen arbeiten am MPI-CBG und lassen sich von ihrem Forscherdrang antreiben, um die Frage zu klären: Wie organisieren sich Zellen zu Geweben?

Weitere Informationen:
Michael Hiller
+49 (0) 351 210 2781
hiller@mpi-cbg.de

https://www.mpi-cbg.de/research-groups/current-groups/michael-hiller/research-fo…

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