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Genomstudie an kleinen Fischen verdeutlicht Triebkräfte der wiederholten Evolution

Anhand genetischer Analysen dreistachliger Stichlinge lässt sich nachweisen, dass isolierte Populationen in Reaktion auf ähnliche Bedingungen „parallele“ Entwicklungen durchlaufen. Aber die spezifischen Mechanismen, die für wiederholte genomweite Muster der genetischen Parallelität und Divergenz verantwortlich sind, lassen sich nicht mit der derzeit gültigen Theorie in Einklang bringen.

Grundlagenforschung

Wie vorhersagbar ist die Evolution? Wenn wir den Film des Lebens unter den gleichen Umweltbedingungen rückwärts laufen lassen könnten – würde die Evolution dann auch zum gleichen Ergebnis führen? Schon lange suchen die Menschen Antworten auf diese faszinierenden Fragen der Evolutionsbiologie. Dabei wird erforscht, ob sich die Rolle zufälliger Ereignisse von den deterministischen Prozessen der Evolutionsgeschichte der Organismen abgrenzen lässt. „Blicken Forschende nun darauf, wie sich Organismen im Lauf der Zeit entwickelt und reagierend auf ähnliche Umweltveränderungen angepasst haben, ließe sich viel besser vorhersagen, wie sich Bakterien oder Viren an Arzneimitteltherapien anpassen könnten. Evolutionsbezogene Ansätze könnten daher für die Verbesserung von Antibiotikatherapien von Nutzen sein“, erläutert Catherine Peichel, Koordinatorin des Projekts PLEVOCON, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wird.

Ein Testfeld der natürlichen Evolutionsexperimente

Der dreistachlige Stichling, ein auf der gesamten nördlichen Halbkugel vorkommender fingergroßer Fisch, ist geradezu ein Lehrbuchmodell der Evolutionsbiologie. Mit dem Abschmelzen der grönländischen Eisschilde gegen Ende des letzteiszeitlichen Maximums entwickelten sich die Stichlinge innerhalb von nur 15 000 Jahren vom Leben im salzigen Meerwasser zum Süßwasserbewohner. Bei der Besiedlung neuer Süßwasserumgebungen in verschiedenen Regionen wiesen sie Ähnlichkeiten in ihrem Phänotyp auf – dieses Phänomen ist als parallele Evolution bekannt. In großen Seen vorkommende Populationen des dreistachligen Stichlings weisen tendenziell kurze und schlanke Körper, große Augen sowie angepasste Strukturen auf, um sich im Oberflächenwasser von Zooplankton ernähren zu können. Bäche bewohnende benthische Populationen verfügen im Gegensatz zu ihren limnischen (in Seen lebenden) Verwandten oft über längere und massigere Körper sowie kleinere Augen. „Diese Divergenzmuster der in Seen und Bächen lebenden Stichlinge wiederholen sich bei geografisch isolierten Populationen immer wieder“, erklärt Peichel. Sind nun diese sich wiederholenden phänotypischen Merkmale in mehreren Evolutionslinien unabhängig voneinander entstanden, so bedeutet das, dass die Evolution mit den gleichen Mechanismen auf ähnliche Umweltbedingungen reagiert hat. „Evolution ist nicht immer das Produkt zufälliger Ereignisse. Sie folgt auch deterministischen Prozessen und kommt auf diese Weise immer wieder zur gleichen Lösung“, ergänzt Peichel.

Genetische Basis der wiederholten Evolution gefunden

Im Rahmen von PLEVOCON verließ man sich nicht nur auf die oberflächlichen, erkennbaren, sich wiederholenden Muster der parallelen Evolution im Fischgenom, sondern es sollte erforscht werden, welche Kräfte hinter diesen Wiederholungen stecken. Werden jedes Mal die gleichen Gene (oder Loci) und genetischen Mechanismen ausgelöst, um jene divergenten Muster zu erzeugen, die wir bei ähnlich aussehenden Organismen beobachten? Das Forschungsteam führte eine Studie mit Gesamtgenomsequenzierung an 16 Bach-See-Stichlingpaaren durch, die in den Binnengewässern von Vancouver Island, Kanada, leben. Es fand heraus, dass sich etwa 30 % der hochdifferenzierten genomischen Regionen parallel entwickelt hatten. Vergleichende Untersuchungen ergaben, dass sich die Mutations- und Rekombinationsraten zwischen parallelen und nicht-parallelen Überlagerungsbereichen nicht wesentlich unterschieden. Jedoch stellte sich heraus, dass parallele genomische Regionen eine größere Anzahl von pleiotropen Genen aufwiesen, die tatsächlich zu mehreren phänotypischen Merkmalen beitragen. Das Team wandte zwei verschiedene Methoden an, um den Zusammenhang zwischen Pleiotropie und paralleler Entwicklung zu erkunden. Zunächst durchsuchten die Forschenden große genetische Datenbanken nach quantitativen Merkmalsloci, den spezifischen Regionen im Genom, in denen Gene interagieren, um komplexe phänotypische Merkmale auszubilden. Sie fanden heraus, dass parallele Fenster eine größere Anzahl derartiger Regionen beherbergten. Zweitens zogen sie in früheren Studien mit Stichlingen gewonnene RNA-Sequenzierungsdaten heran, um nach Gen-Koexpressionsmustern zu suchen. Die Ergebnisse zeigten, dass parallele Fenster als ein Brennpunkt stark korrelierter Gene fungieren, die als indirekter Anzeiger für Pleiotropie dienen. „Unsere Ergebnisse widersprechen den Vorhersagen, dass sich nicht pleiotrope Gene freier parallel entwickeln können. Tatsächlich könnten Gene mit sehr hohen Graden an Pleiotropie die Anpassung verzögern, aber Gene mit begrenzter Pleiotropie eher die Anpassung begünstigen“, schlussfolgert Peichel.

Schlüsselbegriffe

PLEVOCON, Pleiotropie, Genom, dreistachliger Stichling, parallele Evolution, phänotypisches Merkmal, quantitative Merkmalsloci, Gen-Koexpression

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