So unterschiedliche Tiere wie Wespen und Schlangen haben überraschend ähnliche molekulare Mechanismen entwickelt, um Giftstoffe aus ihren spezialisierten Zellen zu spritzen. Dies zeigt eine Studie von SIB-Wissenschaftlern, die erstmals die Genexpressionsprofile von Giftdrüsen vergleichend analysiert haben. Das heute in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Ergebnis ist besonders überraschend, da sich «Giftfabriken» bei verschiedenen Tieren unabhängig voneinander entwickelt haben und nicht von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt wurden.
Giftige Tiere machen etwa 15 % der geschätzten weltweiten Artenvielfalt aus. Sie kommen sowohl in den tiefsten Meeren als auch auf dem trockensten Land vor und haben alle unabhängig voneinander die Fähigkeit entwickelt, Gift zu produzieren. Nun scheint es, dass alle Giftfabriken ähnliche molekulare Mechanismen nutzen, unabhängig davon, ob das von ihnen produzierte Gift lediglich Juckreiz verursacht oder zu einer vollständigen Lähmung der Herzmuskulatur führt.
Eine überraschende molekulare Ähnlichkeit zwischen evolutionär weit voneinander entfernten Tieren
Bei lebenswichtigen Organen mit demselben evolutionären Ursprung (d. h. von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt), wie beispielsweise den Armen des Menschen und den Flügeln der Fledermäuse, ist eine genetische Ähnlichkeit sehr zu erwarten. Giftdrüsen hingegen sind hochspezialisierte Strukturen, die sich unabhängig voneinander und teilweise erst vor relativ kurzer Zeit bei einer Reihe von Tierarten entwickelt haben. Und während der menschliche Arm und der Fledermausflügel beide aus demselben Gewebe gebildet werden, entstehen Giftdrüsen bei Wespen aus Fortpflanzungsgewebe, bei Schlangen hingegen aus Mundwerkzeugen. Schließlich sind Giftdrüsen vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, einen Cocktail aus Giftstoffen zu produzieren, die zu den am schnellsten evolvierenden Genen gehören. Aus all diesen Gründen ist zu erwarten, dass an Giftdrüsen unterschiedliche molekulare Signalwege beteiligt sind.
Eine überraschende molekulare Ähnlichkeit zwischen evolutionär weit voneinander entfernten Tieren
Bei lebenswichtigen Organen mit demselben evolutionären Ursprung (d. h. von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt), wie beispielsweise den Armen des Menschen und den Flügeln der Fledermäuse, ist eine genetische Ähnlichkeit sehr zu erwarten. Giftdrüsen hingegen sind hochspezialisierte Strukturen, die sich unabhängig voneinander und teilweise erst vor relativ kurzer Zeit bei einer Reihe von Tierarten entwickelt haben. Und während der menschliche Arm und der Fledermausflügel beide aus demselben Gewebe gebildet werden, entstehen Giftdrüsen bei Wespen aus Fortpflanzungsgewebe, bei Schlangen hingegen aus Mundwerkzeugen. Schließlich sind Giftdrüsen vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, einen Cocktail aus Giftstoffen zu produzieren, die zu den am schnellsten evolvierenden Genen gehören. Aus all diesen Gründen ist zu erwarten, dass an Giftdrüsen unterschiedliche molekulare Signalwege beteiligt sind.
Umso überraschter waren die Autoren, als sie die Gene verglichen, die in 20 giftigen Arten aus dem gesamten Tierreich exprimiert werden, von Fischen über Wespen bis hin zu Skorpionen und Säugetieren. „Wir haben eine starke Konvergenz der globalen Genexpressionsniveaus von Giftdrüsen bei sehr unterschiedlichen Tieren festgestellt“, sagt Giulia Zancolli, Marie Skłodowska-Curie-Postdoktorandin am SIB, die dem Team von Marc Robinson-Rechavi und Frédéric Bastian (UNIL) angehört. „Es scheint, als habe die Natur einfach den optimalen Weg gefunden, wie Zellen ihre spezifische Funktion der Giftsekretion erfüllen können.“
Ein groß angelegter Vergleich der Genexpression bei 20 Arten mit SIB-Softwaretools und Datenbanken
Unter anderem mussten die Wissenschaftler die Proteinsequenzen der ausgewählten Arten in „Orthogruppen“ gruppieren, d. h. in Gruppen orthologer Gene, die in allen Arten vorkommen. Diese Gruppierung erfolgte mithilfe von OrthoDB und Hinweisen zur Proteinfunktion aus UniProtKB/SwissProt. Um die anatomischen Einheiten zu finden, in denen gewebespezifische Genmodule angereichert waren, verglichen sie die Genexpressionsniveaus, die sich in öffentlich zugänglichen RNAseq-Datensätzen widerspiegelten, und stützten sich dabei auf das TopAnat-Tool der Bgee-Ressource für Genexpressionsmuster.
Was sind die nächsten geplanten Forschungsschritte?
Trotz der weit verbreiteten Präsenz von Giftstoffen im Tierreich und der medizinischen Fokussierung auf die von ihnen produzierten Toxine wissen wir noch immer sehr wenig über ihre Ursprünge und genetischen Grundlagen. Die nächsten Forschungsschritte werden darin bestehen, Wissenslücken über die genetischen Mechanismen der Entstehung und Entwicklung von Toxinen zu schließen. „Diese Studie ist ein erster Schritt zum Verständnis der molekularen Mechanismen, die der wiederholten Evolution einer der erfolgreichsten adaptiven Eigenschaften im Tierreich zugrunde liegen“, fasst Zancolli zusammen.
Reference(s)
Zancolli G et al. Konvergente Evolution von Transkriptomen von Giftdrüsen bei Metazoa. PNAS, 2022.
