Afrikanischer Türkiser Killifisch nutzt uralte Gene gegen Dürre

Der Afrikanische Türkise Killifisch lebt in einer semiariden Region und hat einen praktischen biologischen Kniff entwickelt, um die monatelangen Dürren zu überstehen, die seine schlammigen Tümpel jedes Jahr austrocknen.

Bei diesen etwa daumenlangen Fischen stellen die sich entwickelnden Embryonen ihr Wachstum einfach ein – kurz nachdem sich Gehirn und Herz auszubilden beginnen. Über Monate hinweg verbleiben sie in einem Zustand ausgesetzter Entwicklung, der „Diapause“ genannt wird, bis die langen Trockenperioden vorbei sind.

Nun haben Forschende entschlüsselt, wie der Afrikanische Türkise Killifisch (Nothobranchius furzeri) dieses dürretrotzende Kunststück vollbringt: Er nutzt uralte Gene aus seinem Genom, die vor mehr als 473 Millionen Jahren entstanden sind.

Das Ergebnis eines Forschungsteams aus den USA und Deutschland ist überraschend, denn N. furzeri entwickelte die Fähigkeit zur Diapause erst vor rund 18 Millionen Jahren, als die Art ephemere Tümpel besiedelte.

Die Analyse der während der Diapause aktiven Gene legt nahe, dass der Killifisch für diese vergleichsweise neue Fähigkeit auf sehr alte genetische Werkzeuge zurückgriff.

„Obwohl sich die Diapause erst relativ spät entwickelt hat, sind die auf die Diapause spezialisierten Gene wirklich uralt“, erklärt die Molekularbiologin Anne Brunet von der Stanford University.

„Wir haben festgestellt, dass die meisten Gene, die bei Killifischen auf die Diapause spezialisiert sind, sehr alte Paraloge sind. Das bedeutet, dass sie im gemeinsamen Vorfahren aller Wirbeltiere dupliziert wurden.“

Paraloge sind Genpaare, die entstehen, wenn ein Gen innerhalb des Genoms kopiert wird – entweder auf demselben oder auf einem anderen Chromosom. Abgesehen von zufälligen Mutationen zählt diese Genverdopplung zu den wichtigsten Mechanismen, durch die neue Gene entstehen oder neue Funktionen erhalten.

Diapause des Afrikanischen Türkisen Killifischs

Brunets Team stellte fest, dass beim Türkisen Killifisch jeweils ein Gen eines Paralogpaares während der Diapause stark abgelesen wurde, während sein Gegenstück in der aktiven Entwicklungsphase eingeschaltet war.

„Das gesamte Programm unterscheidet sich wie Tag und Nacht“, sagt Brunet.

Beim Vergleich des Afrikanischen Türkisen Killifischs mit anderen Killifischarten – sowohl mit als auch ohne Diapause – fanden die Forschenden ausserdem heraus, dass N. furzeri Teile seines Genoms „freigeschaltet“ hatte. Dadurch konnte die Art für die Diapause auf Tausende alte Paraloge zugreifen.

Offenbar auf der Suche nach Anpassungen an raue Umweltbedingungen wurden spezialisierte paraloge Gene im Genom von N. furzeri für die zelluläre Maschinerie leichter zugänglich gemacht, die diese Gene in funktionsfähige Proteine übersetzt.

Lipidstoffwechsel schützt die Embryonen

Dieser Umbau des Genoms veränderte den Lipidstoffwechsel: Embryonen des Afrikanischen Türkisen Killifischs erzeugen in der Diapause nun mehr sehr langkettige Fettsäuren. Nach Einschätzung der Forschenden könnte dies ihr Genom vor Schäden bewahren.

Zwar reichen Killifisch-Embryonen nicht ganz an Bärtierchen heran – mikroskopisch kleine Überlebenskünstler, die jahrzehntelang ohne Wasser auskommen können, weil ihre Zellen nicht zusammenschrumpfen. Dennoch ist ihre Fähigkeit bemerkenswert, die Entwicklung anzuhalten, ohne ihren halbfertigen Organen zu schaden, indem sie grosse Mengen an Lipiden produzieren.

„Killifische sind die einzigen Wirbeltierarten, von denen wir wissen, dass sie so spät in der Entwicklung in die Diapause eintreten können“, sagt Param Priya Singh, Bioinformatiker an der University of California, San Francisco. Gemeinsam mit dem computergestützten Biologen Adam Reeves von der Stanford University leitete er die Studie.

„Sie besitzen bereits ein sich entwickelndes Gehirn und ein Herz, das während der Diapause zu schlagen aufhört und danach wieder beginnt.“

Frühere Untersuchungen zeigten, dass diese drastische Unterbrechung der Entwicklung in einer vermeintlich kritischen Phase die Lebensspanne eines vollständig entwickelten erwachsenen Killifischs nicht verkürzt.

Singh und seine Kolleginnen und Kollegen erklären nun, ihre Entdeckung der fettreichen Überlebensstrategie des Afrikanischen Türkisen Killifischs „eröffnet die Möglichkeit, Strategien zu [entwickeln], einschliesslich lipidbasierter Interventionen, um die langfristige Erhaltung von Gewebe zu fördern und altersbedingten Krankheiten entgegenzuwirken.“

Die Studie wurde in Cell veröffentlicht.