Springende Gene, Auch bekannt als: Transposonen mögen den meisten von uns unbekannt sein, aber sie tauchen in zwei aktuellen Studien zu Meereslebewesen auf, die von Tauchern geschätzt werden – Kraken und Seedrachen – und könnten einige der Geheimnisse erklären, die diese Lebewesen umgeben.
Ein Transposon ist eine DNA-Sequenz, die sich innerhalb eines Genoms bewegen kann, dem Satz von DNA-Anweisungen, der in einer Zelle vorkommt. Transposons können sich mithilfe von molekularen Kopier-und-Einfüge- oder sogar Ausschneide-und-Einfüge-Mechanismen neu mischen oder duplizieren und schnelle genetische Veränderungen verursachen, wenn sie sich in der Mitte oder in der Nähe eines Gens einfügen, wodurch dieses Gen daran gehindert wird, normal zu funktionieren.
Transposons machen 45 % des Genoms des menschlichen Gehirns aus, doch jetzt wurden sie erstmals im Gehirn eines Wirbellosen gefunden Tintenfisch – und das erklärt vielleicht auch sein nachweislich hohes Maß an Intelligenz.
Die Studie wurde von einem internationalen Team aus 20 Forschern unter der Koordination von Remo Sanges von der Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) in Triest und Graziano Fiorito von der Stazione Zoologica Anton Dohrn (SZAD) in Neapel durchgeführt.
Das „extrem komplexe“ Gehirn und die kognitiven Fähigkeiten von Kraken seien einzigartig unter Wirbellosen, sagen die Wissenschaftler, und sie gehen davon aus, dass springende Gene der Schlüssel zu dieser wirbeltierähnlichen Komplexität sind, nachdem sie sie in den Gehirnen beider gemeinsamer Arten gefunden haben Tintenfisch (Krake vulgaris) und kalifornisch Tintenfisch (Krake Bimaculoides).
Wie beim Menschen sind einige Transposons inaktiv, weil sie im Laufe der Zeit Mutationen angesammelt haben, während andere, obwohl intakt, durch zelluläre Abwehrmechanismen blockiert werden – obwohl sogar Fragmente und kaputte Kopien von Transposons Rohmaterial für die Evolution liefern können, sagen die Forscher.
Die wichtigsten Transposons, bekannt als Long Interspersed Nuclear Elements (LINE), bleiben potenziell aktiv. Früher dachte man, es handele sich nur um Überbleibsel aus der fernen Vergangenheit. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass die LINE-Aktivität im Gehirn, insbesondere im Hippocampus-Bereich, fein reguliert wird und mit kognitiven Fähigkeiten wie Lernen und Gedächtnis verbunden sein könnte.
Das Genom des Oktopus ist reich an Transposons. Die meisten sind inaktiv, aber durch die Verwendung neuester Sequenzierungstechniken, um sich auf diejenigen zu konzentrieren, die noch zum Kopieren und Einfügen in der Lage sind, identifizierten die Forscher ein Element der LINE-Familie in Teilen des Oktopusgehirns, das für die kognitiven Fähigkeiten entscheidend ist.
„Ich sprang buchstäblich auf den Stuhl, als ich unter dem Mikroskop ein sehr starkes Aktivitätssignal dieses Elements im vertikalen Lappen sah, der Struktur des Gehirns, die beim Oktopus der Sitz des Lernens und der kognitiven Fähigkeiten ist – genau wie der.“ Hippocampus beim Menschen“, sagte Giovanna Ponte von SZAD.
„Die Entdeckung eines Elements der LINE-Familie, das im Gehirn der beiden Krakenarten aktiv ist, ist sehr bedeutsam, denn es untermauert die Idee, dass diese Elemente eine spezifische Funktion haben, die über das Kopieren und Einfügen hinausgeht“, sagte Sanges. Die Studie ist veröffentlicht in BMC Biologie.
Seadragon sieht aus
Im Fall von Seedrachen, die in freier Wildbahn nur in Australien vorkommen, könnten Transposons das von Unterwasserfotografen so geschätzte charakteristische Aussehen erklären, so Wissenschaftler der University of Oregon.
Durch die Sequenzierung der Genome sowohl der unkrautartigen als auch der blättrigen Seedrachenart stellten die Wissenschaftler fest, dass eine Schlüsselgruppe der Gene fehlte, die bei anderen Wirbeltieren die Entwicklung von Gesicht, Zähnen, Gliedmaßen und Teilen des Nervensystems steuern.
„Seedrachen sind Sonderlinge in einer Gruppe von ohnehin schon sonderbaren Fischen“, bemerkte der wissenschaftliche Mitarbeiter Prof. Clay Small und bezog sich dabei auf ihre nahen Verwandten im Meer Syngnathidae Familie, Seepferdchen und Seenadeln.
„Es besteht großes Interesse daran, wie formbar die Evolution Dinge wie den Kopf und das Gesicht ist“, sagte die leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin Susie Bassham, die die Studie gemeinsam mit Small leitete. „Und Seedrachen können aufgrund der extremen Unterschiede, die sie relativ schnell entwickelt haben, gute Fallbeispiele für diese Art von Frage sein.“ Zusammen mit Seepferdchen und Seenadeln haben sie sich vor etwa 50 Millionen Jahren abgezweigt, sagte sie, „was nach evolutionären Maßstäben relativ neu ist“.
Die Forscher verschafften sich über das Birch Aquarium bei Scripps Research und das Tennessee Aquarium seltenen Zugang zu Gewebeproben und analysierten die genetischen Sequenzen der Seedrachen sowie die von Seepferdchen und Seenadeln. Im Vergleich zu Knochenfischen wie Zebrafischen und Stichlingen sind alle Syngnathidae fehlten die Gene, die die Entwicklung steuern, aber im Gegensatz zu ihren Verwandten enthielten Seedrachen auch größere Mengen an Transposons als üblich.
Mit einem speziellen Röntgenmikroskop wurde ein hochauflösendes 3D-Bild eines 30 cm großen Seedrachens aufgenommen (Phyllopteryx taeniolatus). Es wurde in Abschnitten gescannt und die Bilder zu einem vollständigen Bild zusammengefügt, das die feinsten Details der Knochen des Seedrachens enthüllte.
„Niemand hatte sich jemals zuvor einen Teil eines Seedrachens auf diese Weise vorgestellt“, sagte Bassham. „Wir konnten sehen, dass die Stützstrukturen für die Blattpaddel wie Ausarbeitungen von Stacheln aussahen, und dann wurden die fleischigen Anhängsel an den Enden angebracht.“ Sie sagte, dies bestärkte die Idee, dass scheinbar dekorative Anhängsel aus Stacheln entstanden seien.
Das Team hofft, dass die öffentliche Zugänglichkeit der Genomsequenzen der Seedrachen dazu beitragen wird, zu verstehen, wie sich die seltsamen Kreaturen entwickelt haben, und auch bei den Bemühungen, sie zu erhalten. Ihre Studie ist veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademien der Wissenschaften.
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