Genom-Chaos bei Regenwürmern, Blutegeln und Clitellaten

Vor langer Zeit, als sich Würmer aus dem Salzwasser in Süsswasser vorwagten, kam es in ihrer Erbsubstanz zu einer katastrophalen Neuordnung.

Dabei wurden zuvor funktionierende Gene regelrecht auseinandergerissen – darunter auch solche, die für zentrale Abläufe der Zellteilung wichtig sind. Das Ergebnis: Regenwürmer, Blutegel und ihre übrigen clitellaten Verwandten besitzen die bislang am stärksten durcheinandergeratenen Genome, die man kennt.

„Alles ist kaputtgegangen und wurde dann völlig zufällig neu zusammengesetzt“, sagte Rosa Fernández vom Institut für Evolutionsbiologie in Spanien (CSIC-UPF) gegenüber Christie Wilcox bei Science. „Ich liess mein Team die Analyse tausendmal wiederholen.“

Mittlerweile sind drei unabhängige Forschungsteams jeweils zu demselben Schluss gekommen. Damit gerät eine lange verbreitete Annahme ins Wanken: dass Tiere ein bestimmtes Mass an genetischer Stabilität brauchen, um nicht auszusterben.

Hinweise auf ein einmaliges Desaster im Genom der Clitellaten

Der Evolutionsbiologe Carlos Vargas-Chávez, ebenfalls CSIC-UPF, und sein Team fanden heraus, dass der Genverlust in der Linie der Würmer, aus der die Clitellata hervorgingen, im Vergleich zu ihren anderen Verwandten um etwa 25 Prozent erhöht ist.

Die Forschenden vermuten, dass das Genom-Chaos eine Reaktion auf den Wechsel in neue Lebensräume war. Noch ist jedoch offen, was zuerst geschah: der Schritt der Würmer ins Süsswasser und an Land – oder die „Abenteuer“ ihrer Gene, die an neue Positionen innerhalb der genetischen Moleküle (Chromosomen) sprangen.

„Während der Zeitpunkt dieser genomischen Umlagerung weiterhin unklar bleibt, argumentieren wir, dass die in Clitellaten beobachteten genomischen Kennzeichen mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht durch … Umlagerungen über die Zeit entstanden sind“, erklären die Autorinnen und Autoren in ihrer Arbeit.

Stattdessen deuten die Muster, die Vargas-Chávez und Kolleginnen und Kollegen beobachteten, auf eine „einzelne zelluläre Katastrophe“ hin, die ein Wurmgenom in kurzer Zeit im Grunde zerschmettert habe. Als mögliche Auslöser nennen sie drastische Umweltveränderungen, etwa eine plötzliche höhere Sauerstoffbelastung oder Strahlung.

Die Forschenden vergleichen die auffälligen Genom-Veränderungen der Würmer mit Prozessen, die aus Krebszellen bekannt sind.

Warum Bilateria normalerweise konservierte Chromosomenabschnitte behalten

Bei den meisten Bilateria – also Tieren wie uns mit spiegelbildlicher linker und rechter Körperhälfte – ging man bisher von stark konservierten Chromosomenabschnitten aus. Diese Stabilität gilt als wichtig, damit sich die beiden DNA-Stränge korrekt ausrichten können, wenn sie getrennt und bei der Fortpflanzung anschliessend so gepaart werden, dass je ein Strang von jedem Elternteil zusammenkommt.

Von Schwämmen bis zu Affen finden sich solche langen „Gen-Bänder“, die in weit entfernten Verwandtschaftsgruppen in einer bestimmten Reihenfolge zusammenbleiben – teils über Hunderte Millionen Jahre hinweg.

Zwar können diese Bänder als Ganzes bis zu einem gewissen Grad ihre Position wechseln, doch innerhalb der Abschnitte bleibt die Reihenfolge der Gene meist relativ intakt. Bei Blutegeln und Regenwürmern ist das anders.

„Insgesamt ist die alte bilaterische Genomarchitektur innerhalb der Clitellaten vollständig verloren gegangen“, stellte ein zweites Team um den evolutionsgenomischen Forscher Thomas Lewin vom Biodiversity Research Center in Taiwan fest.

Lewins Gruppe untersucht, wie derart unerwartet drastische Chromosomenveränderungen die Evolution von Tieren geprägt haben.

„Fälle von konservierter Genomstruktur sind aussergewöhnlich selten“, erklären Lewin und Kolleginnen und Kollegen in einer weiteren Studie und argumentieren, entgegen früheren Annahmen seien sie „die Ausnahme und nicht die Regel“.

Risiken durch Chromosomen-Umbauten – und das Rätsel ihres Überlebens

Auch wenn grossflächige genetische Neuverkabelungen möglicherweise häufiger vorkommen als bisher gedacht, bleiben die erwarteten Risiken bestehen. Ein drittes Team analysierte die Genome von 2.291 Arten aus allen grossen Tierstämmen und fand, dass drastische Chromosomenveränderungen mit grossen Aussterbeereignissen zusammenhängen können.

„Eine zentrale offene Frage ist, wie dieses tiefgreifende Ereignis der Genom-Umformung nicht zum Aussterben geführt hat“, schreiben Vargas-Chávez und Kolleginnen und Kollegen.

Sie berichten, dass die Genome der marinen Wurmvorfahren offenbar nicht in Kompartimente gegliedert waren und deshalb „viel schlabberiger“ organisiert seien als bei anderen Tieren.

Dies „könnte zu einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber der tiefgreifenden Genom-Umformung nach dem Chromosomen-Chaos geführt haben“, schliesst das Team. Zugleich deutet das darauf hin, dass solche dramatischen genetischen Umlagerungen in diesen Arten wahrscheinlich weiterhin ablaufen.

Die Forschung ist auf dem Preprint-Server bioRxiv verfügbar – zusammen mit zwei verwandten Arbeiten; eine weitere Studie wurde in Molecular Biology and Evolution veröffentlicht.