Neue Forschung enthüllt die wilden evolutionären Ursprünge des Schnabeltiers

Die meisten Menschen denken wahrscheinlich sehr wenig über das Schnabeltier nach — wenn überhaupt.

Aber dieses seltsame australische Säugetier mit seinen Schwimmhäuten und seinem biberartigen Schwanz ist eigentlich eine Fundgrube an genetischen Informationen.

Schnabeltiere (Ornithorhynchus anatinus) sind Teil einer einzigartigen Säugetiergruppe, die als Monotreme bekannt ist. Zu dieser Gruppe gehören auch Echidnas (denken Sie an Knuckles von Sonic the Hedgehog, aber real). Sie sind die einzige Gruppe von Säugetieren, die Eier legen. Als solche sind Monotreme ein Hauptkandidat für das Studium der Säugetierevolution. Die am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie bietet erstmals einen vollständigen Überblick über das Genom des Schnabeltiers und enthüllt neue Informationen über die Evolution dieser seltsamen Gruppe von Säugetieren — und Einblicke in die Ursprünge der menschlichen DNA.

echidna
Eine Echidna, die in einem Küstenwildnisgebiet in Victoria, Australien, spazieren geht. Echidna bildet zusammen mit dem Schnabeltier eine einzigartige Gruppe von Säugetieren, die als Monotreme bekannt sind.Getty

Notwendiger Hintergrund — Die drei Hauptgruppen von Säugetieren sind: Monotreme, Eutherianer und Beuteltiere.Die mit Abstand größte Gruppe sind Eutherianer, zu denen Tiere gehören, die ihre Jungen in der Plazenta der Mutter ernähren (dementsprechend wird die Infraklasse manchmal als „Plazenta“ bezeichnet). Menschen passen in diese Kategorie.Beuteltiere und Eutherianer werden oft zu einer Unterklasse zusammengefasst, die als therianische Säugetiere bekannt ist, aber Monotreme unterscheiden sich so sehr von anderen Säugetieren, dass sie eine eigene Kategorie verdienen.

Monotreme umfassen nur zwei Tiere, die heute überleben: das Schnabeltier und die Echidna.

Schnabeltiere sind semi-aquatische Kreaturen und Echidna sind Landbewohner. Beide haben eine für Monotremes einzigartige Angewohnheit gemeinsam: Eiablage. Was entdeckt wurde – Zum ersten Mal liefert die neue Forschung eine vollständige Chromosomenkarte des Schnabeltiergenoms zusammen mit einer weniger vollständigen Karte des Echidna-Genoms. Die Wissenschaftler verwendeten genetische Daten, um alles von den Essgewohnheiten des Schnabeltiers bis zu seiner Schwimmroutine zu analysieren. Zum Beispiel fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Schnabeltier auf Wasserbasis im Vergleich zur terrestrischen Echidna weit weniger „olfaktorische“ oder riechende Gene besitzt.

Diese genetischen Daten bestätigen den semi-aquatischen Lebensstil des Schnabeltiers, das im Wasser seine Nasenhöhle und Augen schließt und sich stattdessen auf andere Sinne — wie elektrische Reize — verlässt, um Beute zu erkennen.Angesichts der einzigartigen Reproduktionsstrategie der Monotreme konzentrierten sich die Forscher jedoch speziell auf ihre einzigartigen Geschlechtschromosomen. Die Monotreme hat 10 Geschlechtschromosomen: fünf X-Chromosomen und fünf Y-Chromosomen. Menschen haben inzwischen zwei Geschlechtschromosomen.

Durch ihre Analyse fanden die Forscher Ähnlichkeiten zwischen Schnabeltier und Vögeln, aber nicht so sehr zwischen Schnabeltier und Mensch.

Ein Schnabeltier in Australien. Getty

Guojie Zhang, der korrespondierende Autor der Studie und Professor am Fachbereich Biologie der Universität Kopenhagen, sagt Inverse: „Bei der Genomsequenzierung haben wir festgestellt, dass diese 10 Geschlechtschromosomen kein Homolog zu den X / Y-Chromosomen beim Menschen haben, aber sie sind dem ZW-Chromosom von Vögeln in der genomischen Sequenzierungsstruktur ähnlicher.“Die komplexen Geschlechtschromosomen in Monotremen zeigen ungewöhnliche Wechselwirkungen während und nach der Meiose, einer Art Zellteilung.

„Während des Meioseprozesses können die homologen Regionen des Chromosomenpaares zueinander passen. Daher können die Geschlechtschromosomen des Schnabeltiers während des Meioseprozesses eine Ringstruktur bilden „, sagt Zhang.

Diese Ringstruktur ist vielleicht das faszinierendste Ergebnis der Studie. Diese Art von Chromosomenring wurde in Pflanzen gefunden, aber noch nie zuvor in Tieren, was ihn zu einem bahnbrechenden Befund macht. Die Studie verglich auch Schnabeltiergene mit anderen tierischen Genen — von Tasmanischen Teufeln bis zu Menschen —, um ein Bild des Chromosoms alter Säugetiere zu konstruieren, das auch als Karyotyp bekannt ist.

Ein Bild aus der Studie, das genetische Cluster verschiedener Tierarten anzeigt.

Mit diesen Arten konnten sie verstehen, wie sich die Gene des Schnabeltiers von ihren alten Säugetiervorgängern unterschieden und wie das moderne Schnabeltier fünf verschiedene X-Chromosomen besaß. Sie konnten auch den letzten gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Schnabeltier auf 163 bis 191 Millionen Jahre zurückverfolgen.

Aber was noch cooler ist: Durch die Untersuchung der Chromosomen des Schnabeltiers konnten die Wissenschaftler die Ursprünge unserer eigenen menschlichen DNA besser verstehen. In der Studie heißt es, dass die Wissenschaftler „bestätigten, dass das X-Chromosom beim Menschen aus der Fusion eines ursprünglichen therianischen X-Chromosoms mit einer autosomalen Region nach der Divergenz von Beuteltieren stammt.“

Warum es wichtig ist – Ohne eine vollständige Karte der Chromosomen eines Tieres ist es schwierig, seine Entwicklung vollständig zu erfassen. Deshalb ist eine genomische Analyse dieser kleinen, wenig verstandenen Gruppe von Säugetieren für die wissenschaftliche Gemeinschaft so wertvoll.

Der Studie zufolge ermöglicht die Karte, die für das Schnabeltier und die Echidna erstellt wurde, „Rückschlüsse auf die genomischen Veränderungen, die bei den Monotremen der Vorfahren und anderen Säugetieren auftraten.“

Mit anderen Worten: Wenn wir uns die DNA von Schnabeltieren ansehen, können wir mehr über die genetischen Veränderungen bei alten Säugetieren erfahren und so die Entwicklung lebender Tiere heute besser verstehen. Zum Beispiel fand die Studie heraus, dass „Genfamilien, die mit der Immunantwort und dem Haarwachstum assoziiert sind, im Säugetier-Vorfahren beträchtlich erweitert wurden, was vielleicht zur Entwicklung der Immunanpassung bzw. des Fells bei Säugetieren beitrug.“

Die Forschung erweitert insbesondere unser Verständnis der Fortpflanzungsprozesse von Säugetieren. Monotreme dienen als interessanter Übergangspunkt zwischen oviparen (eierlegenden) Reptilien und viviparen Tieren — wie Menschen —, die einen Embryo im Körper wachsen lassen.

Die Studie besagt:

„Monotreme liefern den Schlüssel zum Verständnis, wie sich die Viviparität bei Säugetieren entwickelt hat.“

Die Studie ergab beispielsweise, dass das Schnabeltier weniger Kopien eines eiproduzierenden Proteins namens Vitellogenin enthält als Reptilien, was bedeutet, dass sie nicht so abhängig von diesen Proteinen sind, um Eier zu legen. Aber die Existenz dieses Gens könnte erklären, warum Schnabeltiere überhaupt Eier legen.

„Zum Beispiel haben Vögel drei Kopien des Vitellogenin-Gens. Während wir bei anderen therianischen Säugetieren (wie dem Menschen) kein Vitellogenin-Gen haben „, sagt Zhang. „Aber die Monotreme hat immer noch eine Kopie des Vitellogenin-Gens, die bei Vögeln die gleiche Funktion beibehält. Dies könnte erklären, warum sie immer noch Eier produzieren können.“Unsere Ergebnisse werden sehr interessant für diejenigen sein, die die Fortpflanzungssysteme in Monotremen und auch die Organisation des Geschlechtschromosoms während des Meioseprozesses untersuchen möchten“, fügt Zhang hinzu.

Ein Bild der Meiose. Wissenschaftler fanden heraus, dass die Geschlechtschromosomen des Schnabeltiers während der Meioisis ungewöhnliche Wechselwirkungen aufweisen.Getty

Was kommt als nächstes — Wie die Forscher anerkennen, gibt es noch viel, was wir über diese eierlegenden Säugetiere noch nicht wissen.“Leider bleibt es ein Rätsel, warum sie so viele Geschlechtschromosomen haben“, sagt Zhang.

Aber durch die Bereitstellung einer so klaren genetischen Zusammensetzung von Monotremen macht diese Studie einen neuen und aufregenden Schritt in der Welt der Säugetierforschung. „Mit dem vollständigen, qualitativ hochwertigen Genom auf Chromosomenebene können wir die Funktionen der nicht-kodierenden genomischen Sequenzierung untersuchen, die für die Evolution aller Säugetiere wichtig sind“, sagt Zhang.

Zusammenfassung: Eierlegende Säugetiere (Monotreme) sind die einzige erhaltene Säugetier-Außengruppe von Therianern (Beuteltiere und Eutherianer) und liefern wichtige Einblicke in die Evolution von Säugetieren. Hier generieren und analysieren wir Referenzgenome des Schnabeltiers (Ornithorhynchus anatinus) und der Echidna (Tachyglossus aculeatus), die die einzigen beiden erhaltenen monotremen Linien darstellen. Die fast vollständige Genomassemblierung des Schnabeltiers hat fast das gesamte Genom auf Chromosomen verankert, was die Genomkontinuität und Genannotation deutlich verbessert. Zusammen mit unserer Echidna-Sequenz ermöglichen uns die Genome der beiden Arten, die ahnen- und abstammungsspezifischen genomischen Veränderungen zu erkennen, die sowohl die monotreme als auch die Säugetierevolution prägen. Wir liefern Beweise dafür, dass der monotreme Geschlechtschromosomenkomplex aus einer angestammten Chromosomenringkonfiguration stammt. Die Bildung eines solchen einzigartigen Chromosomenkomplexes könnte durch die ungewöhnlich umfangreichen Wechselwirkungen zwischen den Multi-X- und Multi-Y-Chromosomen erleichtert worden sein, die von den autosomalen Homologen beim Menschen gemeinsam genutzt werden. Weitere vergleichende genomische Analysen enthüllen deutliche Unterschiede zwischen Monotremen und Therianern in Haptoglobingenen, Laktationsgenen und chemosensorischen Rezeptorgenen für Geruch und Geschmack, die der ökologischen Anpassung von Monotremen zugrunde liegen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.