Quanta-Magazin

27. Oktober 2022

Ein aus Schlangen stammendes Gen hat wiederholt die Artengrenze bei Fröschen auf der ganzen Welt überschritten. Forscher versuchen zu verstehen, warum es in Madagaskar weitaus häufiger vorkam als anderswo.

Fahmi-Redewendungen

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27. Oktober 2022

Der winzige goldene Mantella-Frosch sitzt auf einem Blatt im Regenwald und birgt ein Geheimnis. Dieses Geheimnis teilt er mit dem Gabelzungenfrosch, dem Rohrfrosch und unzähligen anderen Fröschen in den Hügeln und Wäldern des Inselstaates Madagaskar sowie mit den Boas und anderen Schlangen, die ihnen nachjagen. Auf dieser Insel, auf der viele Tierarten nirgendwo anders vorkommen, machten Genetiker kürzlich eine überraschende Entdeckung: Im Genom der Frösche ist ein Gen, BovB, verstreut, das offenbar von Schlangen stammt.

Nachdem sie Genome von Frosch- und Schlangenarten auf der ganzen Welt untersucht hatten, berichteten die Wissenschaftler im April in einem Artikel in Molecular Biology and Evolution, dass dieses Gen auf irgendeine Weise mindestens 50 Mal von Schlangen auf Frösche über den ganzen Planeten gewandert sei. Aber in Madagaskar hat es sich mit verblüffender Promiskuität in Frösche eingenistet: 91 % der dort beprobten Froscharten tragen es. Etwas scheint Madagaskar zu einem außergewöhnlich günstigen Ort für die Mobilisierung des Gens zu machen.

Als Atsushi Kurabayashi, außerordentlicher Professor am Nagahama Institute of Bio-Science and Technology und leitender Autor der neuen Arbeit, zum ersten Mal die Schlangenversion des Gens bei Fröschen sah, war er verwirrt. Er fragte einen Kollegen, der sich auf Genomik spezialisiert hat, darauf und der Kollege rief sofort: „Das muss ein horizontaler Transfer sein!“ — die Übertragung eines Gens von einer Art auf eine andere, im Gegensatz zur vertikalen Vererbung von Genen durch ein Kind von einem Elternteil.

Dieser Ausbruch brachte Kurabayashi auf die Spur eines Phänomens, das einst als äußerst selten galt, obwohl die zunehmende Verbesserung der Genomsequenzierung Biologen dazu veranlasst, diese Meinung neu zu bewerten. Und dieses neue Papier, das zeigt, dass der horizontale Transfer von Genen an manchen Orten wahrscheinlicher ist als an anderen, verkompliziert die Geschichte noch mehr. Dies deutet darauf hin, dass Forscher bei der Suche nach Erklärungen für horizontale Transfers möglicherweise über einfache genetische Mechanismen hinaus auf die ökologischen Kontexte schauen müssen, in denen Arten leben. Genomforscher haben immer noch Schwierigkeiten zu verstehen, wie häufig oder selten horizontale Transfers in komplexen Organismen vorkommen, aber einige Orte, wie Madagaskar, könnten dafür Hotspots sein.

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Forscher vermuten, dass die Version des BovB-Gens, die in Boas (Mitte) und anderen Schlangen auf Madagaskar gefunden wurde, sich besonders gut für horizontale Übertragungen eignet. Der bemalte Schilffrosch (oben) und der goldene Mantella-Frosch (unten) sind zwei der vielen Froscharten, die BovB erworben haben.

(von oben) Bernard Dupont; Reptilien4all; Wladimir Wrangel

Forscher vermuten, dass die Version des BovB-Gens, die in Boas (Mitte) und anderen Schlangen auf Madagaskar gefunden wurde, sich besonders gut für horizontale Übertragungen eignet. Der bemalte Schilffrosch (links) und der goldene Mantella-Frosch (rechts) sind zwei der vielen Froscharten, die BovB erworben haben.

(von links) Bernard Dupont; Reptilien4all; Wladimir Wrangel

Horizontaler Transfer ist bei Bakterien weit verbreitet. Die wimmelnden einzelligen Organismen, die fast jeden Winkel auf dem Planeten bevölkern, nehmen Gene aus ihrer Umgebung so leicht auf, wie eine Fusselbürste Katzenhaare aufnimmt. Dies ist einer der Gründe, warum bakterielle Resistenzen gegen Antibiotika weit verbreitet sind: Schutzgene werden leicht weitergegeben, und die natürliche Selektion sorgt dafür, dass die resistenten Bakterien ihre Nachbarn verdrängen und ihre Gene an die nächste Generation weitergeben. Bakterien tauschen Gene so schnell aus, dass einige Wissenschaftler sogar vorgeschlagen haben, dass Bakterien eher ein Netz verwandten Lebens als einen verzweigten Stammbaum bilden.

Die Zellen eukaryotischer Organismen wie Menschen, Frösche und Schlangen sind jedoch unterschiedlich. Ihr Zellkern wirkt meist wie eine Festung zum Schutz des Genoms. Die DNA wird sorgfältig zusammengerollt und in der Bibliothek dieser Zitadelle gespeichert, wobei Enzyme immer nur die Gene hervorrufen, die sie zu einem bestimmten Zeitpunkt untersuchen müssen. Die Zelle ist mit Ausfallsicherungen ausgestattet, um Schäden an ihrer DNA zu verhindern und Abnutzungserscheinungen zu reparieren. Wenn das Genom wie ein unbezahlbares illuminiertes Manuskript ist, tragen seine Bibliothekare Schwerter.

Dennoch tauchen immer wieder Beispiele horizontaler Gentransfers unter Beteiligung von Eukaryoten in der wissenschaftlichen Literatur auf. Heringe und Stine, nicht verwandte Fische, die in den eisigen Gewässern der Arktis, des Nordpazifiks und des Nordatlantiks schwimmen, haben genau das gleiche Gen für ein Protein, das ihr Blut vor dem Gefrieren bewahrt; Es ist wahrscheinlich vom Hering in den Stint übergesprungen. Laurie Graham, eine Molekularbiologin an der Queen's University in Kanada, und ihre Kollegen berichteten letztes Jahr darüber; Ihre Ergebnisse waren so kontraintuitiv, dass Graham Schwierigkeiten hatte, die Arbeit zu veröffentlichen.

In ähnlicher Weise untersuchen der Evolutionsbiologe Etienne GJ Danchin und seine Kollegen am Nationalen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt in Frankreich eine Reihe von Enzymen, die Fadenwürmer von Bakterien erhalten. Und über 100 Genfamilien scheinen schon vor langer Zeit von Mikroben auf Pflanzen übergesprungen zu sein, schrieben Jinling Huang von der Eastern Carolina University und Kollegen in einem diesjährigen Artikel.

Es gibt wunderbar klare Gründe, warum die Evolution bei einigen dieser unwahrscheinlichen Transfers ein Lächeln auf den Lippen hatte. Die Fische mit dem Gen frieren nicht ein. Die Verdauungsenzyme der Nematoden ermöglichen es ihnen, den Zellen der Pflanzen, die sie fressen, mehr Energie zu entziehen. Dank einer Gruppe von Enzymen, die von Bakterien aufgenommen werden, können die in heißen Quellen lebenden Rotalgen, die der Evolutionsbiologe Debashish Bhattacharya und seine Studentin Julia Van Etten an der Rutgers University untersucht haben, den Kontakt mit Substanzen überleben, die sie sonst töten würden. Wenn ein Gen das Überleben steigert, dauert es nicht lange, bis die Nachkommen des ersten Organismus, der es erworben hat, die Kontrolle übernehmen.

Allerdings bringen nicht alle diese Wandergene zwangsläufig einen Vorteil mit sich. BovB ist ein bekanntes Transposon, ein Stück genetisches Material, das dazu neigt, zufällig im Genom herumzuspringen. In gewisser Weise sind die Sprünge von Schlangen in Frösche auf Madagaskar – wie auch immer sie stattfanden – einfach bizarr größere Sprünge als gewöhnlich. Darüber hinaus ist BovB kein Gen mit einer Funktion im herkömmlichen Sinne, obwohl Transposons tiefgreifende Auswirkungen auf das Genom haben können; Es ist nur ein Stück DNA, das Kopien von sich selbst erstellt. Kurabayashi weist darauf hin, dass die Möglichkeit, dass BovB den Fröschen zugute kam, zwar nicht ausgeschlossen werden kann, es aber wahrscheinlicher ist, dass BovB durch seinen aggressiven Erfolg bei der Selbstvervielfältigung bestehen bleibt. Dies könnte erklären, warum, wenn Eukaryoten mit dem genetischen Material anderer Organismen in Kontakt kommen, häufig Transposons wie BovB beteiligt sind.

So seltsam es für Eukaryoten auch erscheinen mag, Gene von Bakterien zu übernehmen, noch seltsamer ist die Tatsache, dass Beispiele für horizontalen Gentransfer in die andere Richtung weitaus seltener sind. Aus irgendeinem Grund wollen Bakterien unsere Gene nicht. Eukaryontische Gene weisen strukturelle Merkmale auf, die sie zu keinem perfekten Material für Bakterien machen, aber es können auch andere Faktoren dazu beitragen.

„Vielleicht haben Eukaryoten nicht die Gene, an denen Bakterien interessiert sind“, sagte Patrick Keeling, ein Biologe an der University of British Columbia, der horizontale Transfers untersucht.

Im Gegensatz zu Bakterien haben Viren ein echtes Talent dafür, Gene von ihren eukaryotischen Wirten aufzunehmen. Viren, insbesondere die sogenannten Retroviren, verfügen über die Werkzeuge, um in die Zellen und Kerne eines Wirts einzudringen, und sie sind Meister darin, genetisches Material in das Genom des Wirts einzufügen. Bis zu 8 % des menschlichen Genoms bestehen aus Überresten von Retroviren, Fragmenten längst zurückliegender Infektionen in der Geschichte unserer Spezies.

Manchmal geht die Übertragung auch in die andere Richtung. In einem im vergangenen Dezember in Nature Microbiology veröffentlichten Artikel führten Keeling, sein Mitarbeiter Nicholas Irwin von der Universität Oxford und ihre Kollegen die erste umfassende Analyse horizontaler Gentransfers zwischen 201 Eukaryoten und 108.842 Viren durch. Sie fanden Beweise für mehr als 6.700 Gentransfers, wobei Übertragungen vom Wirt zum Virus etwa doppelt so häufig vorkamen wie Übertragungen vom Virus zum Wirt. Sie kamen zu dem Schluss, dass horizontale Gentransfers auf beiden Seiten die Haupttreiber der Evolution waren: Viren nutzten oft die von ihnen erworbenen eukaryotischen Gene, um ihre Wirte effektiver zu infizieren, während Eukaryoten manchmal Elemente der viralen Gene nutzten, um neue Merkmale zu schaffen oder ihre Wirte zu regulieren Stoffwechsel auf neue Art und Weise.

Erkenntnisse wie diese haben einige Biologen davon überzeugt, dass zumindest einige horizontale Gentransfers durch Viren erleichtert werden könnten. Wenn Viren Gene von ihren Wirten aufnehmen und Teile ihres Genoms zurücklassen können, ist es möglich, dass sie manchmal auch Gene von dem letzten Wirt, den sie infiziert haben, oder sogar von einem Wirt, der mehrere Generationen zurückliegt, mitnehmen und an diesen weitergeben können ein neuer Gastgeber.

Die Beteiligung von Viren könnte auch dazu beitragen, ein weiteres Rätsel um horizontale Transfers in Eukaryoten zu lösen. Damit die Übertragung stattfinden kann, müssen die Wandergene eine ganze Reihe von Hürden überwinden. Zuerst müssen sie von der Spenderart zur neuen Wirtsart gelangen. Dann müssen sie in den Zellkern gelangen und sich im Wirtsgenom festsetzen. Aber in das Genom einer beliebigen Zelle einzudringen reicht nicht aus: Bei mehrzelligen Lebewesen wie Fröschen und Heringen wird ein Gen nicht an die Nachkommen des Tieres weitergegeben, es sei denn, es kann sich in eine Keimbahnzelle schleichen – ein Spermium oder eine Eizelle.

Viren könnten diese Ereignisserie wahrscheinlicher machen. Bei kleinen Organismen wie dem Fadenwurm, sagte Danchin, seien der Fortpflanzungstrakt und seine Keimzellen nicht weit vom Darmtrakt entfernt, wo sich über die Nahrung aufgenommene Viren ansiedeln können. Da Frösche ihre Eier und Spermien ins offene Wasser abgeben, sind diese Zellen möglicherweise anfällig für Viren in der Umgebung, die in Gene eindringen könnten.

Selbst bei größeren Lebewesen könnte es einfacher sein, als Sie denken. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es noch eine spekulative Idee, aber „der Fortpflanzungstrakt ist voller Mikroben und Viren“, sagte Danchin. „Wir wissen, dass einige Viren speziell den Fortpflanzungstrakt infizieren.“

Keeling schlägt vor, dass wir, um das Geheimnis des horizontalen Gentransfers zu verstehen, ihn vielleicht als ökologische Konsequenzen des Verhaltens eines Organismus, seiner Nachbarn und seiner Umwelt betrachten sollten. Ob ein horizontal übertragenes Gen einen Überlebensvorteil bringt, hängt wahrscheinlich stark von der spezifischen Situation ab, in der sich der Empfänger des Gens befindet – ein eisiges Meer, eine heiße Quelle, eine appetitliche Wirtspflanze mit starken Abwehrkräften. „Sie sind so eng mit der Ökologie verbunden, in der sich das Ding befindet, aber es verändert sich“, spekulierte er. Bei einer falschen Veränderung der Umwelt sei das übertragene Gen „nicht mehr vorteilhaft und geht verloren“.

Bei Eukaryoten kann es ständig zu horizontalen Gentransfers kommen: im Teich in Ihrem Garten, im Boden unter Ihren Füßen, bei den Tieren, Insekten und Pflanzen, aus denen das Ökosystem besteht. „Ich denke, es gibt viel mehr Transfers, als wir wissen“, sagte Bhattacharya. „Wir sehen sie einfach nicht, weil sie weggefegt sind.“

Um herauszufinden, wie häufig Schlangen-BovB bei Fröschen vorkommt, wandte sich Kurabayashis Team an seine Kollegen, um Proben von Fröschen aus der ganzen Welt für die DNA-Sequenzierung zu besorgen. Sie fanden heraus, dass von 149 Arten 50 mit BovB zurückkamen. Die 32 madagassischen Frösche, die sie testeten, machten weniger als ein Viertel aller untersuchten Arten aus, aber 29 von ihnen trugen das Schlangengen – eine klare Mehrheit aller weltweit gefundenen Übertragungen. Darüber hinaus erwarben mindestens zwei der Froschlinien BovB erst, nachdem ihre Vorfahren von Afrika nach Madagaskar ausgewandert waren.

Das Interessanteste an dem Papier, sagte Graham, „ist, dass es zeigt, dass die Transferrate nicht einheitlich ist.“ Es variiert stark zwischen den geografischen Regionen.“ Wenn weitere Studien mit dem Ziel in Angriff genommen werden, den Gentransfer rund um den Globus zu untersuchen und zu sehen, ob der Transfer an verschiedenen Orten unterschiedlich schnell stattgefunden hat, könnte uns das, was wir finden, überraschen. Vielleicht ist die Geographie wichtiger, als wir vielleicht erwarten.

Gibt es etwas an der Umwelt Madagaskars, das es zu einem Hotspot für Gentransfers macht? Niemand weiß. Kurabayashi sagt, dass er und seine Gruppe den stärksten Verdacht hegen, dass die Schlangen-BovB in Madagaskar sich von Versionen anderswo auf der Welt dadurch unterscheidet, dass sie sich nur ein wenig besser in einen neuen Wirt integrieren kann.

Aber auch die Fülle an Parasiten auf der Insel könnte ein Faktor sein. „In Madagaskar gibt es beispielsweise viele Blutegel“, sagte Miguel Vences, Herpetologe an der Technischen Universität Braunschweig in Deutschland und Autor des neuen Artikels. „Wer im Regenwald ist, wird sie bemerken.“ Die blutsaugenden Kreaturen ernähren sich von vielen Tierarten, darunter Frösche und Schlangen, und sind auch den Menschen nicht zu schade. Vences und seine Kollegen spekulieren, dass Blutegel Blut mit dem Sprunggen der Schlange in die Frösche bringen könnten, oder dass sich das Sprunggen möglicherweise bereits im eigenen Genom des Blutegels aus früheren Kontakten mit Schlangen befindet. Dann erledigt vielleicht ein unbekannter Virus den Rest.

Leider ist es nicht einfach, Szenarien zu beweisen oder zu widerlegen, die beschreiben, wie solche horizontalen Transfers stattgefunden haben könnten. Ohne Selektion zur Erhaltung von DNA-Sequenzen neigen sie dazu, über lange Zeiträume hinweg zu mutieren und durcheinander zu geraten, wodurch der molekulare Beweis einer Übertragung gelöscht wird. Und wenn ein Virus an der Übertragung beteiligt sei, hinterlasse dies möglicherweise von vornherein nur sehr wenige Beweise, sagte Graham. Forscher müssen daher möglicherweise fast einen genetischen Sprung auf frischer Tat ertappt haben, um zu wissen, wie er geschieht.

Bhattacharya befindet sich im Anfangsstadium eines Projekts, das genau darauf abzielt. In den heißen Quellen am Lemonade Creek im Yellowstone-Nationalpark suchen er und seine Kollegen nach Anzeichen von Übertragungen, die möglicherweise noch im Gange sind. Sie untersuchen die DNA von Rotalgen, die Gene von ebenfalls in den Quellen lebenden Bakterien übernommen haben, die sich nur geringfügig von den Originalen unterscheiden. „Wir reden hier nicht von vor Millionen von Jahren“, sagte Bhattacharya. „Wir sprechen von DNA, die sehr ähnlich ist und in zwei verschiedenen Lebensbereichen in derselben Umgebung koexistiert.“

Wenn die Wissenschaftler feststellen, dass Algen in nahe gelegenen Quellen eines dieser übertragenen Gene fehlen, dann sind sie möglicherweise Zeuge des Beginns einer Welle genetischer Veränderungen, die sich durch die Algen von einer benachbarten Quelle zur nächsten ausbreitet. Jeder neue heiße Pool kann eine Insel am Rande einer Transformation sein.

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27. Oktober 2022

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