Genetische Veränderungen für eine neue Heimat

Forschende haben entschlüsselt, welche genetischen Veränderungen es dem Hering ermöglichen, sich erfolgreich in der Ostsee fortzupflanzen.

Auf den Punkt gebracht:

• Anpassung an geringen Salzgehalt: Vier genetische Veränderungen sorgen dafür, dass Befruchtung und Embryonalentwicklung auch im Brackwasser der Ostsee gelingen.
• Fortpflanzung gesichert: Der osmotische Druck durch das Brackwasser belastet Eier, Spermien und Embryonen. Beim Ostsee-Hering kontrolliert ein strukturell veränderter Ionenkanal den Salzhaushalt von Spermien, während die Eihüllen durch zwei genetische Anpassungen verstärkt worden sind, und ein Schlüpf-Enzym ist vervielfacht, das die verstärkte Eihülle abbaut.
• Einblicke in Evolution: Die natürliche Selektion hat mehrere Gene gleichzeitig verändert und so die Anpassung des Herings an einen neuen Lebensraum ermöglicht.

Wie passen sich Arten an eine neue Umwelt an? Diese Frage beschäftigt Evolutionsbiologen seit mehr als einem Jahrhundert. Am Beispiel des Herings zeigte ein internationales Forschungskonsortium, wie seine Fortpflanzung innerhalb weniger tausend Jahre genetisch an einen neuen Lebensraum, die salzarme Ostsee, angepasst wurde. Die Ostsee entstand vor ca. 8000 Jahren nach der letzten Eiszeit, ist mit dem Atlantik nur über schmale Meerengen verbunden und erhält große Mengen Süßwasser aus Flüssen. Deshalb liegt der Salzgehalt in einigen Teilen der Ostsee bei nur zwei bis drei Promille, während er im Atlantik bei etwa 35 Promille liegt – also rund zehnmal höher.

Dieser Unterschied hat weitreichende Folgen für alle Wasserbewohner. Zellen sind von Membranen umgeben, durch die Wasser und gelöste Stoffe nur kontrolliert mithilfe spezieller Proteine in der Membran, sogenannter Ionenkanäle oder Transporter, passieren können. Unterscheiden sich die Salzkonzentrationen innen und außen, wandert Wasser so lange durch die Membran, bis ein Gleichgewicht erreicht ist – ein Prozess, den man Osmose nennt. Dadurch können Zellen entweder Wasser aufnehmen und anschwellen oder Wasser verlieren und schrumpfen.

Für Fische, die ihre Eier und Spermien direkt ins Wasser abgeben, ist Osmose besonders heikel. Eier und Spermien sind den Umweltbedingungen schutzlos ausgesetzt: In sehr salzarmem Wasser dringt Wasser in die Zellen ein, sie quellen auf und können im Extremfall platzen; in sehr salzreichem Wasser geschieht das Gegenteil: sie verlieren Wasser und die Befruchtung der Eier wird erschwert.

Auf der Suche nach den genetischen Ursachen

Als Heringe aus dem Atlantik in die Ostsee einwanderten, mussten sich Eier, Spermien und Embryonen an das Brackwasser anpassen. Wie dies gelang, hat ein internationales Forschungskonsortium untersucht. Forschende der Universitäten Uppsala, Bergen, Bonn und Tokio sowie des Max-Planck-Instituts für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT), analysierten dazu die Genome und die Proteine von Atlantik- und Ostseeheringen.

Am MPI-NAT untersuchte ein Team der Forschungsgruppe Bioanalytische Massenspektrometrie unter der Leitung von Henning Urlaub in enger Kooperation mit Emeritus-Direktor Benjamin Kaupp mithilfe hochauflösender Massenspektrometrie die Proteinzusammensetzung von Spermien, Eiern und verschiedenen Geweben. „Mit der Massenspektrometrie konnten wir zeigen, dass die durch den Evolutionsdruck genetisch veränderten Proteine im Ostsee-Hering tatsächlich in Spermien und Eizellen vorkommen und so plausible Hypothesen über ihre biologische Funktion aufstellen“, sagt Kaupp. Erst dadurch konnten die Forschenden nachvollziehen, wie Evolution auf molekularer Ebene zu konkreten Anpassungen an eine veränderte Umwelt führt.

Ein besonderer Ionenkanal schützt Spermien

Viele Zellen besitzen Ionenkanäle, sogenannte VRACs, durch die Ionen und andere gelöste Stoffe die Zelle ein- und ausströmen und so dem osmotischen Druck entgegenwirken können. „Wir haben eine neue Form eines VRAC-Kanalgens entdeckt, die nur in Spermien vorkommt“, erklärt Kaupp. „Dieser Ionenkanal sowie Veränderungen an insgesamt vier Genen, einem in Spermien und drei in Eiern, ermöglichen es dem Hering, sich im salzarmen Wasser der Ostsee fortzupflanzen.“ Diese neu entdeckte Variante des VRAC-Ionenkanals hilft Spermien, ihren Salzhaushalt zu regulieren und auch unter stark veränderten Salzbedingungen funktionsfähig zu bleiben. Nur Heringe und eng verwandte Fischarten besitzen zwei unterschiedliche Varianten dieses Kanalproteins: eine in Körperzellen und eine, die nur speziell in Spermien vorkommt. Andere Wirbeltiere, auch Menschen, verfügen nur über eine Form dieses Gens, die sowohl in Spermien als auch in anderen Zellen aktiv ist. Die Entwicklung eines spermienspezifischen VRAC-Kanals ist eine Innovation, die sich vor Millionen von Jahren in der Heringslinie vollzogen hat. Möglicherweise ermöglicht er dieser Gruppe, Schwankungen des Salzgehalts während der Fortpflanzung besser zu verkraften.

Die Eihülle als Schutzschild

Zwei weitere genetische Anpassungen betreffen die Eihülle. Veränderungen im Bauplan eines Proteins in der Eihülle und eines Enzyms, das Quervernetzungen zwischen Proteinen in der Eihülle erzeugt, machen die Eier widerstandsfähiger. So sind sie besser vor dem Aufquellen im Brackwasser geschützt. Diese verstärkte Eihülle erzeugt jedoch ein neues Problem: Die Larven müssen sie beim Schlüpfen wieder durchbrechen.

Auch für dieses Problem fanden die Forschenden einen Hinweis für eine genetische Lösung: Ostseeheringe besitzen rund 20 zusätzliche Kopien eines Gens, das den Bauplan für ein „Schlüpf-Enzym“ liefert. Dieses Enzym hilft dem Embryo, die verstärkte Eihülle beim Schlüpfen abzubauen. Die Kombination aus verändertem Ionenkanal, stabilerer Eihülle und mehr Schlüpf-Enzymen zeigt, dass hier ein besonders starker Selektionsdruck wirkte.

„Die Studie trägt zu unserem Verständnis bei, wie biologische Vielfalt auf molekularer Ebene entsteht“, sagt Kaupp. „Sie zeigt, wie starke natürliche Selektion zu Veränderungen in mehreren Genen geführt hat, die gemeinsam eine erfolgreiche Fortpflanzung in einer neuen Umgebung ermöglichen.“ Ähnliche Mechanismen könnten auch bei anderen Fischarten und generell bei Arten mit äußerer Befruchtung eine wichtige Rolle spielen. (vl)