Clitellata: Katastrophale Neuordnung des Genoms bei Würmern

Vor langer Zeit, als Würmer aus dem Salzwasser in Süßwasser vordrangen, durchlief ihr Erbgut offenbar eine katastrophale Neuordnung.

Dabei wurden zuvor funktionsfähige Gene auseinandergerissen – darunter auch Gene, die an entscheidenden Vorgängen der Zellteilung beteiligt sind. Regenwürmer, Egel und ihre übrigen Verwandten innerhalb der Clitellata besitzen dadurch die am stärksten durcheinandergeratenen Genome, die bislang bekannt sind.

Das zerschlagene Genom der Clitellata

„Alles zerbrach und wurde dann völlig zufällig neu angeordnet“, erklärte Rosa Fernández vom Institut für Evolutionsbiologie Spaniens (CSIC-UPF) gegenüber Christie Wilcox bei Science. „Ich ließ mein Team die Analyse tausendmal wiederholen.“

Inzwischen sind drei Forschungsgruppen unabhängig voneinander zu demselben Ergebnis gelangt. Damit stellen sie die lange vertretene Annahme infrage, Tierarten benötigten ein gewisses Maß an genetischer Stabilität, um dem Aussterben zu entgehen.

Der Evolutionsbiologe Carlos Vargas-Chávez, ebenfalls vom CSIC-UPF, und sein Team stellten fest, dass der Genverlust in jener Wurmlinie, aus der die Clitellata hervorgingen, im Vergleich zu anderen Verwandten etwa 25 Prozent höher ist.

Die Forschenden vermuten, dass sich die Genome der Würmer als Reaktion auf den Wechsel in neue Lebensräume vermischten. Noch ist jedoch ungeklärt, was zuerst geschah: die Ausbreitung der Würmer in Süßwasser und an Land oder die Verlagerung ihrer Gene an neue Positionen in ihren genetischen Molekülen, den Chromosomen.

„Während der Zeitpunkt dieser genomischen Neuordnung unklar bleibt, vertreten wir die Auffassung, dass die bei Clitellaten beobachteten genomischen Kennzeichen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht durch … Umlagerungen im Laufe der Zeit entstanden sind“, erläutern die Forschenden in ihrer Arbeit.

Stattdessen deuten die von Vargas-Chávez und seinem Team beobachteten Muster auf eine „einzelne zelluläre Katastrophe“ hin, die das Genom eines Wurms innerhalb kurzer Zeit im Wesentlichen zerschmetterte. Auslöser könnten nach ihrer Einschätzung drastische Veränderungen der Umweltbedingungen gewesen sein, etwa eine plötzliche stärkere Einwirkung von Sauerstoff oder Strahlung.

Die Autorinnen und Autoren vergleichen die enormen Veränderungen im Genom der Würmer mit Vorgängen, die in Krebszellen beobachtet wurden.

Chromosomenstabilität bei Tieren

Bei den meisten Bilateria – also Tieren wie uns, deren linke und rechte Körperseite spiegelbildlich angelegt sind – ging man bislang von stark konservierten Chromosomenabschnitten aus. Diese Stabilität ist wichtig, damit die beiden DNA-Stränge, aus denen sie bestehen, korrekt ausgerichtet werden können, wenn sie während der Fortpflanzung getrennt und anschließend mit jeweils einem Strang von jedem Elternteil zusammengeführt werden.

Von Schwämmen bis zu Affen weisen Genome lange Genbänder auf, deren Gene bei entfernt verwandten Arten in einer bestimmten Reihenfolge zusammenbleiben und über Hunderte Millionen Jahre konserviert sind.

Diese Bänder können sich zwar bis zu einem gewissen Grad verschieben, doch die Abfolge innerhalb solcher Abschnitte bleibt gewöhnlich weitgehend erhalten. Bei Egeln und Regenwürmern ist das jedoch nicht der Fall.

„Insgesamt ist die Architektur des alten bilateralen Genoms innerhalb der Clitellaten vollständig verloren gegangen“, stellte ein zweites Team unter Leitung des evolutionären Genomforschers Thomas Lewin vom Biodiversitätsforschungszentrum in Taiwan fest.

Lewins Arbeitsgruppe untersucht, wie derart unerwartet tiefgreifende Veränderungen der Chromosomen die Evolution der Tiere geprägt haben.

„Fälle einer konservierten Genomstruktur sind außerordentlich selten“, erklären Lewin und seine Kolleginnen und Kollegen in einer weiteren Studie. Entgegen früheren Annahmen seien sie „die Ausnahme und nicht die Regel“.

Risiken tiefgreifender Chromosomenveränderungen

Auch wenn massive genetische Umgestaltungen möglicherweise häufiger auftreten als bislang angenommen, bergen sie erwartungsgemäß Risiken. Ein drittes Team analysierte die Genome von 2,291 Arten aus allen großen Tiergruppen und fand Hinweise darauf, dass drastische Chromosomenveränderungen mit großen Aussterbeereignissen verknüpft sein können.

„Eine zentrale offene Frage lautet, wie dieses tiefgreifende Ereignis der Umgestaltung des Genoms nicht zum Aussterben führte“, schreiben Vargas-Chávez und seine Kolleginnen und Kollegen.

Sie stellten fest, dass die Genome der marinen Vorfahren dieser Würmer offenbar nicht in Kompartimente gegliedert waren und daher „viel flexibler“ als bei anderen Tieren sind.

Dies „könnte zu einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber der tiefgreifenden Umgestaltung des Genoms nach dem Chromosomenchaos geführt haben“, folgert das Team. Zugleich deutet es darauf hin, dass solche dramatischen genetischen Neuordnungen bei diesen Arten vermutlich weiterhin stattfinden.

Die Forschungsarbeit ist zusammen mit zwei verwandten Studien auf dem Preprint-Server bioRxiv verfügbar; eine weitere Arbeit wurde in Molecular Biology and Evolution veröffentlicht.