Die evolutionären Innovationen von Insekten und anderen Arthropoden sind ebenso zahlreich wie wundersam, von furchterregenden Giftzähnen und Stacheln bis hin zu farbenprächtigen Flügeln und genialen Konstruktionen. Die DNA-Sequenzierung ermöglicht es uns, die genomischen Blaupausen zu entschlüsseln, die dieser unglaublichen Vielfalt zugrunde liegen, die die Arthropoden auszeichnet und sie zur erfolgreichsten Tiergruppe der Erde macht. Ein internationales Team von Wissenschaftlern berichtet in der Fachzeitschrift Genome Biology über die Ergebnisse eines Pilotprojekts unter der gemeinsamen Leitung von SIB-Gruppenleiter Robert Waterhouse an der Universität Lausanne, mit dem die weltweite Sequenzierungsinitiative für Tausende von Arthropoden gestartet wurde. Vergleichende Analysen von 76 Arten aus 500 Millionen Jahren Evolution zeigen dynamische genomische Veränderungen, die auf Schlüsselfaktoren für ihren Erfolg hinweisen und viele neue Forschungsfelder eröffnen.
Freunde und Feinde, Arthropoden beherrschen die Welt
Arthropoden bilden die artenreichste und vielfältigste Tiergruppe der Erde. Im Laufe ihrer 500 Millionen Jahre währenden Evolution haben sie zahlreiche Anpassungen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, alle wichtigen Ökosysteme zu nutzen. Sie spielen eine wichtige Rolle für die gesunde Ökologie unseres Planeten und sind durch Bestäubung und Recycling von Bioabfällen oder durch die Zerstörung von Nutzpflanzen und die Verbreitung von Krankheiten sowohl nützlich als auch schädlich für den Erfolg der Menschheit. „Durch die Sequenzierung und den Vergleich ihrer Genome können wir beginnen, einige der wichtigsten genetischen Faktoren für ihren evolutionären Erfolg zu identifizieren“, erklärt Waterhouse, „aber werden die Auswirkungen der menschlichen Aktivitäten in der heutigen Zeit ihre Herrschaft beenden oder wird ihre Fähigkeit zur Anpassung und Innovation ihr Überleben sichern?“
Das i5k-Pilotprojekt: Startschuss für die Sequenzierung des Genoms von Arthropoden
Die i5k-Initiative zur Sequenzierung und Annotation der Genome von 5000 Insektenarten und anderen Arthropoden wurde 2011 in einem Brief an die Fachzeitschrift Science ins Leben gerufen . Von Anfang an zielte die Initiative darauf ab, die Entwicklung neuer genomischer Ressourcen zum Verständnis der Molekularbiologie und Evolution von Arthropoden zu unterstützen. Seitdem hat sich i5k zu einer breiten Gemeinschaft von Wissenschaftlern entwickelt, die Genomik nutzen, um Insekten und andere Arthropoden in vielen verschiedenen Kontexten zu untersuchen, von der grundlegenden Tierbiologie über Auswirkungen auf Ökologie und Umwelt bis hin zu Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Landwirtschaft. Um die i5k ins Leben zu rufen, wurde am Baylor College of Medicine unter der Leitung von Stephen Richards ein Pilotprojekt gestartet , um die Genome von 28 verschiedenen Arthropodenarten, die sorgfältig aus 787 Vorschlägen der Community ausgewählt wurden, zu sequenzieren, zu assemblieren und zu annotieren.
Groß angelegte Genomvergleiche verschiedener Arten
„Die Identifizierung und Annotation Tausender Gene aus dem i5k- Pilotprojekt erweitert unsere derzeitige Genomprobenahme von Arthropoden erheblich“, sagt Waterhouse. In Kombination mit zuvor sequenzierten Genomen konnten die Forscher eine groß angelegte vergleichende Analyse von 76 verschiedenen Arten durchführen, darunter Fliegen, Schmetterlinge, Motten, Käfer, Bienen, Ameisen, Wespen, Wanzen, Thripse, Läuse, Kakerlaken, Termiten, Eintagsfliegen, Libellen, Zikaden, Bristletails, Krebstiere, Tausendfüßler, Spinnen, Zecken, Milben und Skorpione. Die Doktoranden Gregg Thomas von der Indiana University, USA, und Elias Dohmen von der Universität Münster, Deutschland, verwendeten die annotierten Genome, um die computergestützte Evolutionsanalyse von mehr als einer Million Arthropodengenen durchzuführen
Dynamische Evolution von Genfamilien – ein Schlüssel zum Erfolg?
Die Analysen des Teams konzentrierten sich auf die Verfolgung der Evolutionsgeschichte von Genen, um Veränderungen im Gengehalt und in der Genstruktur über einen Zeitraum von 500 Millionen Jahren abzuschätzen. Auf diese Weise konnten Genfamilien identifiziert werden, die zwischen und innerhalb der einzelnen großen Untergruppen der Arthropoden erheblich an Größe zugenommen oder abgenommen haben, neu entstanden oder verschwunden sind oder ihre Proteindomänen neu angeordnet haben. Die Genfamilien, die sich am dynamischsten veränderten, kodieren Proteine, die an Funktionen im Zusammenhang mit der Verdauung, der chemischen Abwehr und dem Aufbau und der Umgestaltung von Chitin – einem Hauptbestandteil des Exoskeletts von Arthropoden – beteiligt sind. Die Anpassungsfähigkeit der Verdauungsprozesse und Mechanismen zur Neutralisierung schädlicher Chemikalien kam den Arthropoden zweifellos zugute, als sie eine Vielzahl von ökologischen Nischen eroberten. Vielleicht noch wichtiger ist, dass die Flexibilität, die sich aus einem segmentierten Körperbau und einem dynamisch umgestaltbaren Exoskelett ergibt, es ihnen ermöglichte, sich durch physische Anpassung an neue Ökosysteme zu behaupten.
Innovation durch Erfindungen und Umnutzung
Neu entwickelte Genfamilien spiegeln auch Funktionen wider, die in verschiedenen Arthropodengruppen als wichtig bekannt sind, wie visuelles Lernen und Verhalten, Pheromon- und Geruchserkennung, neuronale Aktivität und Flügelentwicklung. Diese können die Fähigkeit zur Nahrungssuche verbessern oder die Selbsterkennung und Kommunikation innerhalb einer Art verfeinern. Im Gegensatz dazu wurden bei den Vorfahren der Insekten, die eine vollständige Metamorphose durchlaufen, nur wenige Veränderungen festgestellt: die dramatische Veränderung von der Larvenform zum voll entwickelten Erwachsenenstadium (wie die Verwandlung einer Raupe in einen Schmetterling). Dies wurde traditionell als wichtiger Schritt in der Evolution der Insekten angesehen, die sich ursprünglich über mehrere Nymphenstadien entwickelten, bis sie schließlich das Erwachsenenstadium erreichten. „Diese Ergebnisse stützen die Annahme, dass dieser wichtige Übergang eher durch die Umstrukturierung bestehender Gen-Netzwerke oder den Aufbau neuer Netzwerke unter Verwendung bestehender Gene stattgefunden hat, also durch das Prinzip ‚neue Tricks für alte Gene‘“, erklärt Waterhouse.
Orthologieabgrenzung mit OrthoDB: eine SwissOrthology SIB-Ressource
Die Orthologieabgrenzung, also die Identifizierung „äquivalenter“ Gene aus verschiedenen Arten, ist ein Eckpfeiler der vergleichenden Genomik. Sie ermöglicht die Rückverfolgung der Evolutionsgeschichte Tausender Gene aus vielen Arten und liefert qualifizierte Hypothesen zu mutmaßlichen Genfunktionen. Orthologe von Arthropoden wurden mit Hilfe des OrthoDB-Verfahrens zur Orthologieabgrenzung, einer SwissOrthology SIB-Ressource, identifiziert . Um Orthologe zu finden, werden zunächst die Proteinsequenzen der Gene aller einbezogenen Arten verglichen, um Gruppen ähnlicher Gene zu identifizieren. Graphenbasierte Clustering-Algorithmen bilden dann Gruppen von Orthologen, die alle Nachkommen eines einzigen Gens repräsentieren, das im Genom des letzten gemeinsamen Vorfahren aller Arten vorhanden ist. Die steigende Zahl sequenzierter Genome bedeutet, dass solche Vergleichsmethoden als Werkzeuge zur Verbesserung sowohl der genomweiten Annotation von Genstrukturen als auch der groß angelegten Ableitung von Genfunktionen immer leistungsfähiger werden. Diese Ansätze haben sich als äußerst wertvoll für die Entdeckung und Charakterisierung von Genen etabliert und tragen zum Aufbau von Ressourcen zur Unterstützung der biologischen Forschung bei.
Genomische Einblicke in die Biologie und Evolution von Arthropoden
Mehrere detaillierte Genomstudien einzelner i5k-Arten haben sich auf ihre faszinierenden biologischen Merkmale konzentriert, wie beispielsweise die Ernährungsökologie und Entwicklungsbiologie der Milkweed Bug, die Insektizidresistenz, die Bluternährung und das traumatische Geschlechtsleben der Bettwanze, den horizontalen Gentransfer von Bakterien und Pilzen und die Verdauung von Pflanzenmaterial durch den asiatischen Laubhornkäfer sowie die Wechselwirkungen zwischen Parasiten und Wirten und potenzielle Impfstoffe für die Schafschmeißfliege. Die kombinierten Analysen zeigen dynamisch veränderliche und neu entstandene Genfamilien, die neue Forschungsbereiche anregen werden. „Wir können diese Hypothesen ins Labor übertragen und damit direkt untersuchen, wie das Genom in sichtbare Morphologie übersetzt wird, und zwar in einer Auflösung, die mit keiner anderen Tiergruppe erreicht werden kann“, sagt Co-Erstautor Ariel Chipman von der Hebräischen Universität Jerusalem, Israel. Die neuen Ressourcen bringen den Aufbau eines umfassenden Genomkatalogs des Lebens auf unserem Planeten erheblich voran. Mit mehr als einer Million beschriebenen Arthropodenarten und Schätzungen, dass es noch siebenmal so viele gibt, gibt es offensichtlich noch viel zu entdecken!
Nächste Schritte in der Genomik von Arthropoden und darüber hinaus
Dank effektiverer und kostengünstigerer DNA-Sequenzierungstechnologien gibt es bereits neue ehrgeizige Initiativen zur Sequenzierung der Genome weiterer Arthropoden. Dazu gehören die Global Ant Genome Alliance und die Global Invertebrate Genomics Alliance sowie das Darwin Tree of Life Project, das alle bekannten Tierarten der Britischen Inseln erfasst, und das globale Netzwerk von Gemeinschaften , das vom Earth BioGenome Project (EBP) koordiniert wird und die Sequenzierung der gesamten eukaryotischen Biodiversität der Erde zum Ziel hat7. Zu den Zielen des EBP gehören auch der Nutzen für das Wohlergehen der Menschen, wo die Rolle der Arthropoden klar ist und die versteckten Vorteile wahrscheinlich erheblich sind, sowie der Schutz der biologischen Vielfalt und das Verständnis der Ökosysteme, wo alarmierende Berichte über rückläufige Bestände Arthropoden zu einer Priorität machen. „Der Abschluss des i5k-Pilotprojekts ist daher ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer intensiveren Entwicklung eines umfassenden Genomkatalogs des Lebens auf unserem Planeten“, fasst Richards zusammen.
Reference(s)
Evolution des Gengehalts bei Arthropoden. Thomas et al., 2020, Genome Biology.
