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Wie überleben Antarktisfische im minus 1,9 Grad kalten Meer?
Überleben im Eiswasser: Im Südpolarmeer sinken die Wassertemperaturen bis auf minus 1,9 Grad Celsius. Eine neue Genomanalyse zeigt, dass Frostschutzproteine nur ein Teil der evolutionären Anpassung antarktischer Fische sind. Auch bewegliche DNA-Abschnitte sowie Veränderungen an Genen für den Zellschutz könnten zu ihrem Überleben in extremer Kälte beigetragen haben.
Frankfurt am Main (Deutschland). Meerwasser kann wegen seines Salzgehalts unter null Grad Celsius abkühlen, ohne sofort zu gefrieren. Für Fische im Südpolarmeer bedeutet das eine ständige Herausforderung: Eiskristalle können lebenswichtige Körperflüssigkeiten gefährden.
Antarktische Fische besitzen deshalb Frostschutz-Glykoproteine, die das Wachstum von Eiskristallen hemmen. Doch Kälte beeinträchtigt auch die Funktion von Eiweißen, während sauerstoffreiches Wasser oxidativen Zellstress begünstigen kann. Wie viele genetische Veränderungen gemeinsam zu dieser Anpassung beigetragen haben, war bislang nur teilweise geklärt.
Forscher des Senckenberg Forschungsinstituts und Naturmuseums Frankfurt um Dr. Iliana Bista haben nun das Erbgut des Antarktisraubfischs Harpagifer antarcticus neu entschlüsselt. Mit langen DNA-Lesestücken und Informationen über räumliche Chromosomenkontakte rekonstruierten sie erstmals für einen Vertreter dieser Fischgruppe beide geerbten Erbgutfassungen getrennt, die sogenannten Haplotypen.
Die beiden Fassungen umfassen jeweils 24 Chromosomen und unterscheiden sich über weite Strecken nur wenig. Gerade bei DNA-Wiederholungen und Frostschutzgenen wurden jedoch bislang leicht übersehene Unterschiede sichtbar. Zum Vergleich untersuchte das Team auch die Chromosomengenome von elf weiteren verwandten Fischarten.
„Diese Unterscheidung ist wissenschaftlich bedeutsam, da Unterschiede zwischen dem mütterlichen und dem väterlichen Erbgut bei herkömmlichen Verfahren zur Genomsequenzierung verborgen bleiben können. Durch die getrennte Analyse der Haplotypen lassen sich diese Unterschiede genauer untersuchen – etwa in Gensequenzen, in eingefügten oder entfernten DNA-Abschnitten sowie in Genomregionen, in denen bestimmte Gene mehrfach vorkommen“, erklärt Dr. Iliana Bista.
Im Bereich der Frostschutz-Glykoproteine fanden sich in den beiden Erbgutfassungen 17 beziehungsweise 16 Genkopien. Die Anordnung dieser Gene ist nahezu gleich, anders als frühere Untersuchungen an anderen antarktischen Fischen erwarten ließen. Die scheinbar fehlende Kopie könnte allerdings auch auf einer Lücke der Genomrekonstruktion beruhen.
Auffälliger waren Unterschiede in der Länge einzelner DNA-Abschnitte, die für Frostschutz-Eiweiße codieren. Solche Proteine lagern sich an kleine Eiskristalle an und bremsen deren Wachstum. Da ihre Wirksamkeit auch von der Größe abhängen kann, liefern die Genvarianten einen möglichen Ansatzpunkt für lokale Kälteanpassungen.
„Die Länge der Genabschnitte unterscheidet sich deutlich. Da größere Frostschutz-Eiweiße das Wachstum von Eiskristallen besonders wirksam hemmen können, könnten diese Unterschiede den Fischen helfen, sich an unterschiedliche Bedingungen in der Antarktis anzupassen“, erläutert Dr. Iliana Bista.
Wie das charakteristische Genfeld entstand, deutet seine wiederkehrende Anordnung an: Möglicherweise wurden größere DNA-Stücke mit jeweils zwei Genpaaren mehrfach verdoppelt. Dass die beobachteten Längenvarianten das Überleben einzelner Fische tatsächlich verbessern, wurde in der Studie aber nicht experimentell getestet.