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GENETISCH AUFGEBLÄHT


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Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 12/2022 vom 12.11.2022
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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 12/2022

HANDGROSSER LURCH Auf dem Trockenen wirkt der Furchenmolch Necturus lewisi eher unbeholfen. Der ungefähr 15 bis 30 Zentimeter lange Olm verbringt sein ganzes Leben im Wasser und frisst Insekten, die zufällig vorbeischwimmen.

Douglas Foxist Biochemiker und arbeitet als Wissenschaftsjournalist im US-Bundesstaat Kalifornien. Seine Themenschwerpunkte liegen im Bereich Biologie, Geologie und Klimaforschung.

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AUF EINEN BLICK

DAS RIESENGENOM DER LURCHE

1 Etliche Schwanzlurche besitzen gigantische Genome. Bei der nordamerikanischen SpeziesNecturuslewisiist das Erbgut 38-mal umfangreicher als beim Menschen.

2 Ursache hierfür sind im DNA-Strang eingelagerte Transposons, welche die Entwicklung dieser Amphibien verzögern.

3 Dennoch schadet das aufgeblähte Genom den Tieren kaum. Vielmehr fanden sie eine Nische, in der sie sich mit einem trägen Dasein begnügen.

? Necturuslewisifristet ein träges Dasein. Der handbis unterarmlange Furchenmolch verlässt nur selten sein Versteck unter Steinen oder Baumstämmen in den Flüssen von North Carolina. Auf der »Jagd« harrt er unbeweglich am Flussgrund aus und wartet, bis ein Insekt ...

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... vorbeischwimmt. Dann taumelt er vorwärts und verschlingt seine Beute – ein geistloser Reflex. Sein ganzes Leben verbringt er im Wasser als zu groß geratene Larve, die ihre Metamorphose nie vollenden durfte: Die schlaffen Beine erscheinen zu klein für den Körper, die Zehen sind nicht richtig ausgewachsen, der Oberkiefer fehlt, und aus dem Hals ragen aufgedunsene Larvenkiemen.

Betrachtet man das zur Amphibienfamilie der Olme gehörende Tier aus der Nähe, fällt eine weitere Besonderheit auf: Seine Zellen sind ungefähr 300-mal so groß wie die einer Eidechse, eines Vogels oder eines Säugetiers. Mit einer einfachen Lupe erkennt man in den durchsichtigen Kiemen einzelne Blutzellen, die durch die Kapillaren strömen.

Necturus lewisiund andere Schwanzlurche verkörpern ein altes Mysterium, das die Wissenschaft erst allmählich aufklärt. Hinter den seltsamen Eigenschaften des salamanderartigen Tiers steckt eine verborgene Last: Jede seiner Zellen enthält fast 40-mal mehr DNA als die des Menschen. Der Furchenmolch besitzt unter allen vierbeinigen Wirbeltieren der Welt das größte Genom. Lediglich Lungenfische halten hier einem Vergleich stand – und diese neigen ebenfalls zur Trägheit.

Die Genomgröße der meisten Säugetiere, Vögel, Reptilien und Fische liegt in einem relativ schmalen Bereich von einer halben Milliarde bis sechs Milliarden Bausteinen, den DNA-Basenpaaren (siehe »Kaleidoskop der Genome«). Diese bilden als Glieder einer langen Kette die Gene, die das Erbgut eines Individuums ausmachen. Bei Schwanzlurchen schwankt die Genomgröße jedoch beträchtlich zwischen 10 und 120 Milliarden Basenpaaren (10 bis 120 Gigabasen beziehungsweise 10 000 bis 120 000 Megabasen). Die Amphibien verfügen nicht über mehr Gene als andere Tiere; ihr Erbgut ist vielmehr durchsetzt von parasitischen DNA-Abschnitten, deren Vermehrung außer Kontrolle geraten ist. Praktisch ihr ganzes Leben wird von ihrem gewaltigen Genom beherrscht – es zwingt die Tiere zu einem Dasein auf der Kriechspur. Ausgestattet mit einem unterentwickelten Körper, einem schlichten Gehirn sowie einem papierdünnen Herz schleppen sie sich mitunter 100 Jahre lang durchs Leben.

Im Austausch gegen diese Last haben die Schwanzlurche mindestens eine verblüffende Fähigkeit erworben: die Regeneration. Ihnen können nicht nur Gliedmaßen nachwachsen, sondern auch bis zu einem Viertel des Gehirns – was fürs Überleben höchst praktisch ist.

Höher entwickelt = mehr Gene?

Das Rätsel der Riesengenome stellte sich erstmals Mitte des vergangenen Jahrhunderts, als Biologen die DNA als Erbmolekül identifiziert hatten. Ein für jede Spezies einzigartiges Genom enthält Tausende von Genen, in denen die Bauanleitungen für Proteine niedergeschrieben sind, die ein Lebewesen braucht. Anfangs vermutete man, höher entwickelte Arten mit kompliziertem Körperbau wie Primaten müssten auch mehr Gene und damit ein größeres Erbgut besitzen.

Diese Vorstellung wurde jedoch schon 1951 durch Alfred Mirsky und Hans Ris vom Rockefeller Institute for Medical Research über den Haufen geworfen. Als sie die DNA-Menge bei mehreren Tierarten ermittelten, mussten sie zu ihrem Erstaunen feststellen, dass die Zellen von Afrikanischen Lungenfischen(Protopterus)und Aalmolchen (Amphiuma)einige Dutzend Mal mehr DNA enthalten als die von Menschen, Ratten, Vögeln oder Reptilien. Bei der Untersuchung weiterer Tiergruppen kristallisierten sich Schwanzlurche und Lungenfische als Sonderfälle heraus.

Parasiten im Erbgut

Im Lauf der nächsten zwei Jahrzehnte verschaffte man sich ein genaueres Bild von den Riesengenomen. Shigeki Mizuno und Herbert Macgregor von der University of Leicester untersuchten mehrere nordamerikanische Arten aus der Familie der Lungenlosen Salamander (Plethodontidae). Die einzelnen Spezies sahen nahezu gleich aus, aber ihre DNA-Menge schwankte beträchtlich.

Die DNA-Kette ist bei allen höheren Lebewesen zu wurstförmigen Strukturen aufgewunden, den Chromosomen. Bei Spezies mit größerem Genom erscheinen sie ebenfalls vergrößert, wie ein aufgeblasener Ballon. Die zusätzliche DNA verteilt sich offenbar über die ganze Länge der Chromosomen.

Mizuno und Macgregor hatten keine Ahnung, worum es sich bei dem zusätzlichen Material handelt. In den 1980er Jahren stellte sich dann heraus, dass bei zahlreichen Tiergruppen parasitisches Erbgut in den Zellen schlummert: kurze, als Transposons bezeichnete DNA-Abschnitte, die sich wie Viren verhalten. Diese »springenden Gene« sind in der Lage, sich selbst zu kopieren und diese Duplikate dann mitunter wahllos an anderen Stellen im Genom einzubauen.

Die Erforschung der Riesengenome verlief in den darauf folgenden Jahrzehnten nur schleppend. Während es nach und nach gelang, das Genom von Fliegen, Würmern und Menschen vollständig zu sequenzieren, machten die meisten Genetiker um Schwanzlurche einen Bogen, erschien doch deren schieres DNA-Volumen kaum handhabbar. Erst 2012 kam die Arbeitsgruppe der Evolutionsbiologin Rachel Mueller von der Colorado State University einen entscheidenden Schritt weiter.

Mit der Methode der Hochdurchsatzsequenzierung hatten Mueller und ihre Kollegen hunderttausende DNA-Zufallsfragmente von sechs Plethodontidae-Arten sowie von dem zu den Riesensalamandern gehörenden Schlammteufel(Cryptobranchusalleganiensis)analysiert. Die Ergebnisse bestätigten zunächst, was man bereits vermutet hatte: Das Erbgut der Salamander ist durch Transposons übermäßig aufgebläht. Häufig stießen die Forscher sowohl bei den Salamandern als auch beim Schlammteufel auf die gleichen DNA-Schnipsel, was vermuten lässt, dass sich das parasitische Erbgut schon vor mehr als 200 Millionen Jahren beim letzten gemeinsamen Vorfahren aller heutigen Salamander unkontrolliert vermehrt hatte.

Kaleidoskop der Genome

Insekten und Weichtiere besitzen Genome von sehr unterschiedlichem Ausmaß, bei Wirbeltieren liegt die Spannbreite noch höher (obere Grafik). Besonders stark schwankt die Größe bei Knochenfischen und Amphibien, am geringsten bei Reptilien, Vögeln und Säugern. Als Maß für die Genomgröße dient die Anzahl der Basenpaare, der chemischen Bausteine des Erbgutstrangs DNA.

Der Äthiopische Lungenfisch(Protopterusaethiopicus)hält den Rekord für das größte Genom aller Tiere, dicht gefolgt vom Furchenmolch Necturuslewisi(farbige Ringe unten). Das Erbgut des Menschen (blauer Ring) hat eine durchschnittliche Größe und ist 43-mal kleiner als das des Lungenfischs sowie 22-mal so groß wie ein Taufliegengenom.

Aber wie kam es zu dieser explosionsartigen Anreicherung? Von dieser Frage ist Mueller seither fasziniert. »Es war nicht so, dass nur ein Transposon verrücktgespielt hätte«, sagt sie, »sondern es kam zu einem umfassenden Eindringen ins Erbgut.« Offenbar hatten sich plötzlich Dutzende der Sequenzen gleichzeitig vervielfältigt.

Warum das so war, hat Mueller bisher nicht herausgefunden, aber ein anderes Rätsel konnte sie lösen. Selbst wenn Transposons sich im Genom eines Wirts vermehren, werden sie in der Regel im Lauf der Zeit durch Zufallsmutationen wieder beseitigt. Diese Dezimierung findet bei allen biologischen Arten ständig statt. Wie Muellers Arbeitsgruppe jedoch nachwies, werden die eingebauten DNA-Stücke bei Schwanzlurchen vermutlich um ein Mehrfaches langsamer ausgemerzt als bei anderen Organismen. Wegen des geringeren Tempos verschiebt sich das Gleichgewicht: Die Menge der Transposons bleibt nicht konstant, sondern sie reichern sich an, so dass sich das Erbgut der Tiere über längere Zeiträume immer weiter aufbläht.

Die überschüssige DNA veränderte tief greifend den Körperbau. Bei Arten mit dem größten Genom erkennt man solche anatomischen Verzerrungen auf den ersten Blick. So macht das riesige Genom Schwanzlurche häufig zu überdimensionalen Babys. Von ungefähr 770 bekannten Arten haben etwa 40 die Fähigkeit verloren, sich von der im Wasser lebenden Larve zum ausgewachsenen Landtier zu entwickeln. Solche Spezies verfügen in der Regel über ein größeres Genom als diejenigen mit Metamorphose. Sie bleiben wieNecturuslewisiwährend ihres ganzen Lebens mit Larvenkiemen und schwachen Gliedmaßen auf das Wasser angewiesen.

Etlichen von ihnen fehlen auch Zehen, weil sich ihre Gliedmaßen nie vollständig entwickeln. Statt eines normalerweise fünfgliedrigen Hinterfußes hatNecturuslewisilediglich vier Zehen. Manche Aalmolcharten besitzen drei oder zwei, mitunter auch nur einen einzigen. Und die im Südosten der Vereinigten Staaten heimischen Armmolche (Sirenidae) verzichten auf Hinterbeine sogar ganz.

Selbst landlebende Schwanzluche, die voll entwickelt aussehen, behalten larvale Eigenschaften wie nicht verwachsene Schädelknochen oder ein unverknöchertes Fußskelett. Ende des vergangenen Jahrhunderts durchgeführte Studien offenbarten, dass viele dieser Arten sogar ein larvales Gehirn besitzen.

Erste Erkenntnisse hierzu gewann damals der Amphibienexperte David Wake von der University of California in Berkeley zusammen mit dem Zoologen Gerhard Roth von der Universität Bremen. Die beiden verglichen den Hirnaufbau bei mehreren Plethodontidae-Spezies mit dem bei verschiedenen Froscharten.

Wake und Roth entnahmen den Tieren das Gehirn und tränkten es mit Zedernöl, woraufhin es durchsichtig wurde, so dass die Biologen es unter dem Mikroskop unter- suchen konnten. Dabei entdeckten sie, dass die Hirnstrukturen bei den Salamandern meist viel einfacher gebaut erschienen als bei Fröschen, die ja ebenfalls zu den Amphibien gehören. Die Nervenzellen sahen »embryonal« aus, wie Wake es formulierte: größer, runder und weniger differenziert.

Vor allem fiel die Vereinfachung des Sehsystems auf. Der Sehnerv bestand bei den Salamandern aus nicht mehr als 75 000 Nervenfasern; bei Fröschen waren es bis zu 470 000. Außerdem war bei den Salamandern ein viel kleinerer Teil der Neurone von einer Myelinscheide umgeben, die für einen schnelleren Signaltransport zum Gehirn sorgt. Und im Mittelhirndach (Tectum), das die vom Sehnerv kommenden Bilder verarbeitet, lagen die Neurone bei Salamandern eher chaotisch verstreut – wie im Gehirn von Embryonen oder Larven –, während sie bei Fröschen geordnete Schichten bildeten. Des Weiteren konnten Wake und Roth zeigen, dass sich Arten mit besonders großem Genom meist auch durch ein einfacheres Sehsystem auszeichnen.

Bei alldem erkannte Roth eine übergeordnete Gesetzmäßigkeit. Im Salamandergehirn fehlten just jene Bereiche, die normalerweise erst in späteren Entwicklungsstadien entstehen. Es sah so aus, als ob dem Gehirn der Lurche die Zeit zur Reifung gefehlt hätte. Das passte zu einer Beobachtung, die ein anderer Wissenschaftler kurz zuvor gemacht hatte.

Stanley Sessions, wie Gerhard Roth ein früherer Mitarbeiter von Wake und inzwischen emeritierter Professor am Hartwick College, interessierte sich für die ungewöhnliche Fähigkeit der Amphibien, verletzte Gliedmaßen zu ersetzen. 1987 amputierte er bei 27 Plethodontidae-Arten, deren Genomgröße zwischen 13 und 74 Gigabasen lag, die Hinterbeine und beobachtete, wie schnell diese nachwuchsen. Ergebnis des Experiments: Die Regeneration verläuft bei Tieren mit umfangreicherem Genom langsamer. Ihre unreifen Zellen brauchen länger, um sich zu differenzieren und spezialisiertes Gewebe wie Muskeln oder Knochen zu bilden.

Verzögerte Entwicklung

Die Studien von Wake, Roth und Sessions lieferten auch eine Erklärung dafür, warum Schwanzlurche mit besonders großem Genom Zehen, Hinterbeine und sogar die Fähigkeit zur Metamorphose eingebüßt haben. Ihr riesiges Erbgut hat viele Aspekte der Entwicklung verlangsamt und verkürzt. Zunächst hatte man angenommen, die Verzögerung sei einfach darauf zurückzuführen, dass die Zellen zum Kopieren eines großen Genoms mehr Zeit benötigen und sich daher langsamer teilen. Doch 2018 brachte ein wichtiger Durchbruch der Genomforschung eine entscheidende Erkenntnis.

Damals hatten Forscher um Siegfried Schloissnig vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien das erste vollständige Genom eines Schwanzlurchs veröffentlicht: des Axolotl(Ambystomamexicanum).Das Tier kann fast so lang werden wie ein menschlicher Unterarm, besitzt aber bleistiftdünne Beine, aufgeplusterte Kiemen sowie weitere larvale Merkmale. Sein Erbgut erscheint allerdings mit »nur« 32 Gigabasen im Vergleich zu den 118 Gigabasen von Necturuslewisieher klein. Wie sich in der Studie zeigte, liegen die Transposons nicht einfach verstreut zwischen den Genen; vielmehr kommen sie häufig auch innerhalbder Erbfaktoren in Abschnitten vor, die man als Introns bezeichnet.

Die Nervenzellen sahen »embryonal« aus: runder und weniger differenziert

Aus diesem kleinen Detail ergeben sich gewaltige Folgerungen. Sobald ein Gen eingeschaltet wird, muss seine gesamte DNA einschließlich der Introns in eine RNA-Kette umgeschrieben werden. Anschließend werden die Introns herausgeschnitten; erst dann kann die RNA als Matrize zur Herstellung der Proteine dienen, die ihrerseits die Entwicklung der Zelle steuern. Axolotl-Introns sind wegen der vielen eingelagerten Transposons bis zu 13-mal so lang wie die des Menschen. Entsprechend länger dauert der Aufbau der RNA-Kette. Bis die Bauanleitungen für die Zellproteine ihre Wirkung entfalten, vergeht mehr Zeit – und zwar nach Sessions’ Worten so viel, dass die Lurche »nie ganz erwachsen werden«.

Die langsame Entwicklung ist nicht der einzige Faktor, durch den die Riesengenome den Körperbau verzerren. Eine andere Wirkung fiel in der Wissenschaft durch Zufall schon vor mehr als 150 Jahren auf. Die Bedeutung erkennen wir erst jetzt.

Im 19. Jahrhundert betrieb der britische Stabsarzt George Gulliver (1804–1882) auf seinen Reisen um die Welt eine Liebhaberei. An jedem Aufenthaltsort sammelte er ein wenig Blut von einheimischen Tieren, betrachtete die Proben unter dem Mikroskop und vermaß die roten Blutkörperchen. Unter seinen Objekten waren mexikanische Hirsche, nordamerikanische Krokodile, indische Pythons, Dornhaie, Zitteraale, Gürteltiere und hunderte andere. Die mit Abstand größten Zellen fand Gulliver beim Dreizehen-Aalmolch(Amphiumatridactylum),einem aalähnlichen Wesen mit winzigen Beinchen. Seine roten Blutkörperchen waren verglichen mit denen des Menschen um das 300-Fache größer. Dicht hinter dem Aalmolch landeten mit nicht ganz so voluminösen Zellen drei weitere Schwanzlurche sowie ein Lungenfisch.

Heute wissen wir, dass Zell- und Genomgröße Hand in Hand gehen: je mehr DNA, desto umfangreicher die Zelle. Ausladende Zellen wirken sich erheblich auf den Körperbau eines Tiers aus. Einige Amphibien weisen daher eine entsprechende Körpergröße auf: Der Chinesische Riesensalamander(Andriasdavidianus)wird bis zu 1,80 Meter lang, manche Amphiuma-Artenbringen es auf 1,10 Meter. Necturuslewisimisst knapp 28 Zentimeter und ist damit immer noch doppelt so lang wie die meisten anderen Schwanzlurche.

Größere Zellen führen auch zu einem einfacheren Körperbau. Angenommen, Sie möchten zwei Spielzeugautos bauen: eines aus filigranen Legosteinen, das andere mit dicken Duplo-Blöcken. Sind die Autos gleich groß, wirkt das aus den größeren Steinen zusammengesetzte schlichter und klobiger. Genauso verhält es sich beim Körperbau der Schwanzlurche.

Das klassische Beispiel dafür entdeckte James Hanken, der heute an der Harvard University forscht, in den 1980er Jahren. Hanken studierte die Extremitätenanatomie bei den kleinsten Salamandern der Welt: Manche Arten der GattungThorius,die in verborgenen Winkeln mexikanischer Bergwälder hausen, sind so winzig, dass sie auf einer Münze Platz finden. Wie Hanken nun feststellte, sind bei einigen von ihnen die ursprünglich acht Handwurzelknochen miteinander verschmolzen. Noch erstaunlicher war, dass diese Knochen auch innerhalb einer einzigen Spezies unterschiedlich angeordnet sein können. Manche Individuen besitzen nur vier Handgelenksknochen, bei anderen sind es bis zu sieben. In einigen Fällen unterschied sich die Struktur sogar im rechten und linken Handgelenk.

Eine solche Variabilität erschien Hanken außergewöhnlich. Seine Erklärung: DaThoriusso klein ist und so große Zellen besitzt, sind von diesen buchstäblich nicht genügend vorhanden, wenn sich im Embryo die Handwurzelknochen bilden.

Rachel Mueller und ihr Doktorand Michael Itgen waren fasziniert von Hankens Erkenntnis, dass voluminösere Zellen zu einem einfacheren Körperbau führen. Aber spielt das für die Tiere wirklich eine Rolle? Im Rahmen eines 2019 begonnenen Projekts untersuchten die Forscher bei neun Waldsalamanderarten(Plethodon),deren Genom 29 bis 67 Gigabasen umfasst, wie sich die unterschiedliche Zellgröße auf den Aufbau des Herzens auswirkt.

Statt zwei Herzkammern wie Säugetiere besitzen Amphibien nur eine. Als Itgen die Herzen seiner Versuchstiere unter dem Mikroskop betrachtete, stellte er erstaunt fest, wie unterschiedlich sie aussahen. Exemplare mit dem sparsamsten Erbgut besaßen eine muskulöse, dickwandige Herzkammer mit einem nur kleinen Hohlraum für das Blut. Mit zunehmender Genomgröße erschien die Kammer eher ausgebeult und war von dünneren Muskelwänden umgeben. Bei der Spezies mit dem umfangreichsten Genom glich sie einem leeren Beutel, umschlossen von einer lediglich eine Zellschicht dicken Muskelhülle.

Der Anblick des hohlen Herzens war eine Offenbarung. »Ich kann mir nicht vorstellen, wie dieses Ding funktionieren soll«, erzählt Itgen, der seine Befunde 2022 veröffentlichte. Er vermag nur zu spekulieren, warum umfangreichere Genome zu einem Herzen mit größerem Hohlraum führen. Eventuell brauche die Herzkammer bei Arten mit größerem Erbgut mehr Platz, um die voluminöseren Zellen und das dickflüssigere Blut aufzunehmen, vermutet er. Möglicherweise besteht das Herz aber auch aus weniger Muskelgewebe, weil sich die Zellen während der Entwicklung nicht schnell genug teilen können.

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Für die unzulängliche Konstruktion zahlen die Tiere jedenfalls einen hohen Preis. Der Herzphysiologe Adam Chicco von der Colorado State University sieht Parallelen zwischen den tütenartigen Herzkammern der Salamander und Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz: wenige, dünn ausgestreckte Muskelzellen, die kaum in der Lage sind, Blut zu pumpen.

Wären die Salamander Menschen, sie stünden an der Schwelle zum Tod. »Ein großes Genom macht alles kostspielig«, erklärte mir David Wake. Und doch hätten die Lurche schon 200 Millionen Jahre überlebt. »Es muss also irgendeinen Vorteil geben.«

2020 konnte ich zweimal mit Wake sprechen; er starb im April 2021. Nach jahrzehntelangem Rätseln hatte er zusammen mit Stanley Sessions schließlich eine Theorie entwickelt, wie Schwanzlurche und Lungenfische von ihren übergroßen Genomen profitieren könnten. Die Ursprungsidee entstand bei einem kühnen Experiment.

Ein neues Gehirn

Sessions hatte mehrere Grünliche Wassermolche(Notophthalmusviridescens)betäubt, die dünne Schädeldecke aufgeklappt und mit dem Riechareal fast ein Viertel des Gehirns entfernt. Dass ein Salamander ein abgetrenntes Bein ersetzen kann, war bekannt; Sessions wollte nun die Grenzen der Regenerationsfähigkeit austesten. Und siehe da: »Innerhalb von sechs Wochen regenerierte sich das Gehirn«, erzählt er.

Das Experiment bewies, dass Amphibien auch Teile des Körpers neu bilden können, die sie in freier Wildbahn normalerweise nicht verlieren. Diese Vorstellung widerspricht einem grundlegenden Evolutionsprinzip, wonach sich neue Fähigkeiten bei umweltbedingten Belastungen durchsetzen. Vielleicht, so vermutet Sessions, entwickelte sich die Regenerationsfähigkeit nur teilweise auf Grund solcher Umweltfaktoren, und das Riesengenom hätte sie dann als letztlich nützliche Nebenwirkung verstärkt.

Inzwischen ist Sessions überzeugt, dass ausgewachsene Schwanzlurche wegen der langsamen Entwicklung, die von den in Introns liegenden Transposons verursacht wird, noch voll unreifer Zellen stecken, die sich zu neuem Gewebe differenzieren können. »Ein Salamander ist eigentlich eine wandelnde Tasche voller Stammzellen«, sagt der Zoologe, der seine zusammen mit Wake vertretene These im Juni 2021 kurz nach dem Tod seines Kollegen veröffentlichte.

Die Idee klingt nach Ansicht von Jeremiah Smith, der an der University von Kentucky das Axolotl-Genom erforscht, plausibel. Allerdings sei die Geschichte vielleicht nicht ganz so einfach; die Entwicklung von Lebewesen könne sich auf vielen Wegen verlangsamen, wenn es sich als vorteilhaft erweist. Da aber Transposons im Erbgut der Schwanzlurche so zahlreich aufträten, erscheine es logisch, ihnen eine gewisse Rolle zuzuschreiben. »Die Evolution arbeitet mit dem Material, das sie hat«, betont Smith.

Falls die Hypothese stimmt, hätte sie weit reichende Konsequenzen. Die Wissenschaft beschäftigt sich schon seit Jahrzehnten mit der Regeneration bei Amphibien, weil man nach Wegen sucht, auch menschliches Gewebe nachwachsen zu lassen. Wenn die Regeneration aber zahlreiche Gene mit langen Introns erfordert, dürfte das Ziel schwieriger zu erreichen sein.

Darüber hinaus verdeutlicht die Theorie von Wake und Sessions, inwieweit parasitische Gene die gesamte Biologie der Schwanzlurche umprogrammiert haben. Bei langlebigen Arten, zu denen auch wir Menschen gehören, werden die verbliebenen Stammzellen nach Abschluss der Entwicklung zum Schweigen verdammt – dadurch sinkt das Risiko für eine unkontrollierte Zellteilung und Krebs. Die Stammzellen der Lurche sind wesentlich zahlreicher und unterliegen weitaus geringeren Beschränkungen.

Möglicherweise erklärt die Theorie von Wake und Session nicht vollständig, warum Amphibien ein großes Genom verkraften können. Zwar mag es praktisch erscheinen, wenn verloren gegangene Körperteile wieder nachwachsen können – die Tiere müssen aber mit ihren eingeschränkten Organen tagtäglich klarkommen. Dieser Widerspruch führte zu einer faszinierenden Idee, die sich Mitte 2021 in einem Gespräch zwischen Mueller, Itgen und Hanken herauskristallisierte.

Die drei hatten über die Frage diskutiert, wie das Herz mit seinem großen Hohlraum das Leben der Schwanzlurche beeinflussen könnte. »Ich hatte die Extremposition eingenommen«, erzählt Hanken. Vielleicht, so meinte er, wirke sich das hohle Herz überhaupt nicht aus.

Diese Vermutung erschien Mueller und Itgen nicht so abwegig, wie sie zunächst klingt. Schwanzlurche wachsen und bewegen sich langsam. Unter allen Wirbeltieren zeigen sie mit Abstand die niedrigste Stoffwechselrate und den geringsten Sauerstoffbedarf. Die von Itgen und Mueller untersuchten Plethodontidae verzichten sogar – wie der deutsche Name Lungenlose Salamander verrät – auf ein Atmungsorgan. Eventuell kommen die Tiere nach Ansicht von Itgen mit ihrem unvollkommenen Herzen zurecht, »weil die funktionellen Anforderungen so gering sind«.

Dafür sprechen auch Sessions' Regenerationsexperimente: Als er bei einem Dutzend Grünlichen Wassermolchen nahezu das halbe Herz entfernte, schoss das Blut heraus, das Organ hörte auf zu schlagen – doch die Tiere überlebten und bildeten eine neue Herzkammer! Offensichtlich sind sie nicht so sehr auf die Blutpumpe angewiesen wie ein Säugetier.

Träge, aber mit schneller Zunge

Ihr seltsames Skelett scheint manche Salamander ebenfalls wenig zu beeinträchtigen. Nach James Hankens Überzeugung verträgt die GattungThoriusihre unvollständigen Handwurzelknochen, weil auf die Gelenke des winzigen Organismus nur geringfügige Kräfte einwirken. Des Weiteren kann Thoriusauf fein abgestimmte Gliedmaßen verzichten, da er seine Beute nicht jagt. Vielmehr sitzt er einfach herum und wartet, bis zufällig ein Insekt vorbeikommt.

Gerhard Roth fügt noch einen weiteren Gedanken hinzu: Um lediglich auf Beute zu harren, genügt ein schlichtes Sehsystem. Das Extrembeispiel stellen die südamerikanischen Schleuderzungensalamander (Bolitoglossini) dar. Mit bis zu 83 Gigabasen verfügen einige ihrer Arten über die größten Genome aller Landwirbeltiere. Außerdem zeigen sie das am stärksten abgespeckte Gehirn, das Roth und Wake jemals bei einem Salamander gesehen haben. Die Tiere büßten 50 bis 90 Prozent ihrer Sehneurone ein, so dass sie nicht zwischen einem vorbeikriechenden Insekt und einer vorüberrollenden Metallkugel unterscheiden können. Dafür besitzen sie etwas anderes: eine der schnellsten Zungen der Welt, mit der sie – laut Wake »wie mit einem gespannten Gewehr« – binnen weniger Millisekunden ein Insekt erlegen können.

Wer eine solche Zunge hat und einfach nur lange herumsitzen kann, muss nicht besonders gut sehen. Damit bleibt dem Körperbau eine Menge Notwendigkeiten erspart. Ein bescheidenes Gehirn, ein hohles Herz und verkümmerte Handwurzelknochen – »das alles spielt keine Rolle«, sagt Mueller. »Es ist ganz schön raffiniert.«

Seit man weiß, dass Schwanzlurche und Lungenfische weit mehr DNA besitzen als der Mensch, wurde in der Wissenschaft immer wieder diskutiert, welche Aufgaben dieses zusätzliche Genmaterial haben könnte. Anfangs hieß es mitunter, die DNA diene neben ihrem Informationsgehalt auch als Gerüst, das über die Größe eines Zellkerns bestimmt. Die Idee gilt inzwischen als überholt. Die heutigen Ansichten erscheinen vielschichtiger.

Bei Transposons handelt es sich nach Meinung des Genetikers Ting Wang von der Washington University in St. Louis tatsächlich um DNA-Schrott, der jedoch, verteilt über das gesamte Genom, zum Rohstoff der Evolution avancierte. Manchmal übernimmt er echte Funktionen. Wenn ein DNA-Schnipsel in der Nähe eines Gens landet, könnte er beispielsweise dafür sorgen, dass dieser Erbfaktor stärker ausgeprägt wird. Ein solches Transposon entdeckte Wang 2021 bei Mäuseembryonen: Entfernt man es, sterben viele Embryonen ab. Auch für die Struktur sind Transposons von Bedeutung, indem sie unser Erbgut in Funktionsabschnitte unterteilen. »Man kann sie nicht mehr von uns trennen«, betont Wang. »Sie sind ein Teil von uns.«

Und sie können uns schädigen. Als Wangs Arbeitsgruppe 2019 fast 8000 menschliche Tumoren analysierte, offenbarte sich, dass Transposons bei der Hälfte davon wichtige Onkogene einschalteten, die dann das explosive Wachstum der Krebszellen vorantrieben.

Das alles legt nahe, dass Transposons zwar manchmal von ihrem Wirt eingespannt werden, von sich aus aber keinen Zweck erfüllen. »Nicht alles dient der Anpassung«, meint der Biologe Ryan Gregory von der kanadischen University of Guelph. DNA existiert um ihrer selbst willen. Ihre Evolution zielt weniger auf das Überleben ihres Wirts als vielmehr auf sich selbst.

Während der Wirt darum kämpft, sich in seiner Nische in der Welt zu behaupten, spielt sich in seinen Zellen ein ebenso dramatischer Kampf ab. Transposons konkurrieren darum, die Genomlandschaft zu bevölkern und der Verfolgung durch die Abwehrmechanismen des Wirtsorganismus zu entgehen. »Mittlerweile betrachten wir das Genom eher als ökologische Gemeinschaft mit den transponierbaren Elementen als Arten«, erklärt Rachel Mueller.

Da die Transposons sich vermehren, besteht ganz allgemein der Trend zu vergrößerten Genomen. Wie der Krempel in einer Garage sammelt sich die DNA an und füllt allen verfügbaren Platz aus. Der Druck der natürlichen Selektion bestraft jedoch den Wirt, wenn sein Erbgut zu groß wird. Deswegen behält es bei den meisten Arten ein gewisses Maß bei. Diese Größe, so erklärt Gregory, unterliege bestimmten Gesetzmäßigkeiten. Welche DNA-Belastung eine Spezies verträgt, hängt von ihrer Entwicklungsgeschwindigkeit, ihrem Stoffwechselumsatz sowie ihrer Lebensweise ab.

Vögel können es sich mit ihrem aktiven Stoffwechsel und ihrem energieaufwändigen Flug einfach nicht erlauben, viel sperrige DNA mit sich herumzuschleppen. Ihre Genome sind mit ein bis zwei Gigabasen kleiner als die der meisten Säugetiere. Bei denen gehören 19 der 20 kleinsten Genome zu Fledermäusen, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen wie Vögel.

Wir Menschen liegen mit drei Gigabasen bei den Säugern ungefähr in der Mitte. Darin spiegeln sich vermutlich mehrere konkurrierende Faktoren wider. Wir entwickeln uns langsam – bis wir erwachsen sind, vergehen fast 20 Jahre. Demnach sollten wir in der Lage sein, eine beträchtliche Menge überschüssige DNA anzureichern. Dennoch steht unsere Genomgröße wahrscheinlich auf Messers Schneide, denn sie wird von einem anderen wichtigen Faktor in Schach gehalten: von der Leistungsfähigkeit des Gehirns. Nach Ansicht der Neurobiologin Suzana Herculano-Houzel von der Vanderbilt University verdanken Menschen und andere Primaten ihre hohe Intelligenz der Tatsache, dass die Nervenzellen relativ klein sind und dadurch mehr davon Platz in unserer Großhirnrinde finden. Falls diese Theorie stimmt, würde uns ein größeres Genom zu weniger Neuronen verdammen – und damit zu weniger Hirnschmalz.

Transposons verwandeln sich zu »Ökosystemingenieuren« der Genomlandschaft

Vertreter der Froschlurche, der Schwesterordnung der Schwanzlurche, besitzen mit bis zu 13 Gigabasen ebenfalls oft relativ große Genome. Andererseits verfügt der FroschPlatyplectrumornatum,dessen Genom 2021 veröffentlicht wurde, mit nur 1,06 Gigabasen über ähnlich wenig DNA wie ein Kolibri. Er lebt in australischen Wüsten und legt seinen Laich in Pfützen, die sich nach den seltenen Regenfällen bilden. Den Kaulquappen bleiben nur wenige Tage, in denen ihnen Beine wachsen müssen, bevor ihre Kinderstube austrocknet. Sie können es sich schlicht nicht leisten, in ihrem Genom zu viel Schrott zu horten. Entsprechend haben wuchernde Wildkräuter wie Disteln oder Löwenzahn ein kleineres Genom als die langsamer sprießenden Pflanzen, die von ihnen verdrängt werden.

Im Gegensatz zu den übrigen Tieren entwickelte sich offenbar bei den Schwanzlurchen allmählich ein aufgeblähtes Genom. Deren Vorfahr begab sich nach der Vorstellung von Gregory und Mueller vor 200 Millionen Jahren auf die Schleichspur des Lebens mit geringem Energiebedarf und träger Entwicklung. Deshalb schadete es ihm nicht unmittelbar, als sich Transposons in seinem Erbgut anreicherten. Die zunehmende Genomgröße trieb die Tiere weiter in die Nischen, in denen sich die Strategie eines gemächlichen, bescheidenen Daseins auszahlt.

2020 publizierten Gregory und seine Kollegen die Vermutung, dass dieser Prozess irgendwann einen Kipppunkt erreichte: Die Transposons verwandelten sich von bloßen Bewohnern der Genomlandschaft zu wahren »Ökosystemingenieuren«. Sobald ein Transposon irgendwo eine neue Kopie seiner selbst einbaut, besteht stets die Gefahr, ein Gen zu zerstören und dem Wirt zu schaden – was auch für es selbst schlecht wäre. Wenn das neu eingebaute DNA-Stück seinen Wirt beispielsweise unfruchtbar macht, gelangt es nicht in die nächste Generation. Als sich die Transposons aber weiter vermehrten, stellten sie schon durch ihre Anwesenheit immer mehr »Lebensraum« im Genom bereit, in die sich neue DNA-Schipsel einbauen konnten, ohne auf Gene zu treffen. »Das Ganze funktioniert als Rückkopplungsschleife«, erläutert Gregory. »Je mehr Transposons da sind, desto mehr ungefährliche Einbaustellen gibt es.«

So kam es, dass der FurchenmolchNecturuslewisiheute 118 Gigabasen an DNA mit sich herumschleppt. Die eng verwandte Spezies Necturuspunctatusliegt mit 117 Gigabasen knapp dahinter.

Beim Anblick eines Furchenmolchs mag man ein wenig Mitleid empfinden. Mit seiner trägen Entwicklung ist er nicht nur unfähig zur Metamorphose, sondern sie verhindert auch, dass sich Gliedmaßen beim ausgewachsenen Exemplar regenerieren können – eine bittere Ironie. Da er trockenes Land nicht überqueren kann, bleibtNecturuslewisiisoliert in zwei kleinen Flusssystemen von North Carolina. Durch Landwirtschaft und Bebauung verschlechterte sich die Wasserqualität. Im Juni 2021 stufte die US-Regierung die Spezies angesichts der schrumpfenden Population als gefährdet ein. Wenngleich die Ordnung der Schwanzlurche schon 200 Millionen Jahre überlebte, ist man leicht versucht zu glauben, das riesige Genom verurteile diese eine Art zum Untergang.

Sessions ist davon nicht überzeugt. Die Kreaturen mit ihrem Riesengenom haben immer wieder eines bewiesen: Wenn es um das Überleben des Geeignetsten geht, bezieht sich unsere Vorstellung von »Eignung« einseitig auf Stärke und Beweglichkeit. Parasitische Gene haben die Entwicklung des Furchenmolchs verlangsamt, seine Zellen aufgebläht und seine Anatomie verzerrt. Wegen dieser eigenartigen Umstände hat sich das Tier auf einen bizarren Nebenweg der Evolution begeben, auf dem Eignung ganz anders definiert ist. Herz und Gehirn werden plötzlich nebensächlich. Seine Abstammungslinie blieb erhalten, während Brände, Überschwemmungen und Asteroiden zahlreiche Spezies – ob behaart, gefiedert oder geschuppt – hinwegfegte. »Lurche«, sagt Sessions, »sind hart im Nehmen.«

QUELLEN

Itgen, M. W. et al.:Genome size drives morphological evolution in organ-specific ways. Evolution 76, 2022

Kremer, S.C. et al.:Transposable element persistence via potential genome-level ecosystem engineering. BMC Genomics 21, 2020

Roth, G. et al.:Genome size, secondary simplification, and the evolution of the brain in salamanders. Brain, Behavior and Evolution 50, 1997

Sessions S.K., Wake, D. B.:Forever young: Linking regeneration and genome size in salamanders. Developmental Dynamics 250, 2021

Sun, C., Mueller, R.L.:Hellbender genome sequences shed light on genomic expansion at the base of crown salamanders. Genome Biology and Evolution 6, 2014

LITERATURTIPP

Wilcox, C.:Das Geheimnis der parasitischen Riesenblumen. Spektrum der Wissenschaft 8/2022, S. 32–37

Wie Transposons bei Blütenpflanzen mitmischen