Genom des Grönlandhais entschlüsselt
Mit einer geschätzten Lebenserwartung von etwa 400 Jahren ist der Grönlandhai (Somniosus microcephalus) das langlebigste Wirbeltier der Welt. Einem internationalen Forscherteam mit Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Alternsforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena, der Ruhr-Universität Bochum, der SNS, der Universität Kopenhagen und der CNR-IBF Pisa ist es jetzt in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen gelungen, das Genom dieses bedrohten Bewohners der Tiefen des nördlichen Atlantiks und des Arktischen Ozeans zu sequenzieren. Erste Ergebnisse wurden jetzt auf der Plattform bioRxiv veröffentlicht.
Jena. Mit einer geschätzten Lebenserwartung von etwa 400 Jahren ist der Grönlandhai (Somniosus microcephalus) das langlebigste Wirbeltier der Welt. Ein internationales Forscherteam hat nun das Genom dieses bedrohten Bewohners der Tiefen des nördlichen Atlantiks und des Arktischen Ozeans entschlüsselt. Die Analyse der Daten legt nahe, dass eine verbesserte DNA-Reparatur eine wichtige Rolle für seine extreme Langlebigkeit spielen könnte. Die Arbeit des Teams zur Entschlüsselung des Erbgutes soll dabei helfen, neues Licht auf die allgemeinen Mechanismen der Langlebigkeit zu werfen.
„Das Genom des Grönlandhais ist ein entscheidender Schritt zum Verständnis der molekularen Mechanismen des extrem langsamen Alterns dieser außergewöhnlichen Art“, sagt Steve Hoffmann, Bioinformatiker und Forschungsgruppenleiter am Leibniz-Institut für Alternsforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena. Die Forscher erwarten, dass die Studie über den Grönlandhai auch für viele andere Organismen von entscheidender Bedeutung sein kann. „Die Erforschung der genetischen Grundlagen des großen Spektrums von Lebensspannen im Tierreich ermöglicht es uns auch, die allgemeinen Mechanismen der Langlebigkeit besser zu verstehen“, erklärt Alessandro Cellerino, Neurobiologe und Assoziierter Forschungsgruppenleiter am FLI und Professor an der Scuola Normale Superiore (SNS) in Pisa, Italien.
Nur wenige komplexe Tiere können den Menschen überleben, z.B. Riesenschildkröten wie Jonathan, ein 191-jähriges Exemplar, das derzeit auf St. Helena lebt. Doch diese Rekorde verblassen im Vergleich zum Grönlandhai. Das Wissenschaftlerteam des FLI, der Ruhr-Universität Bochum, der SNS und der Universität Kopenhagen, Dänemark, hat in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen das Genom dieser besonderen Art sequenziert und erste Ergebnisse auf der Plattform bioRxiv veröffentlicht. Auch die Genomsequenz ist nun verfügbar. Erste Analysen deuten darauf hin, dass die Fähigkeit des Grönlandhais, seine DNA zu reparieren, einer der Schlüssel zu seiner extremen Langlebigkeit sein könnte.
Eine der ersten Herausforderungen des Projekts war die schiere Größe des Hai-Genoms. Mit 6,5 Milliarden Basenpaaren ist der genetische Code des Grönlandhais doppelt so lang wie der des Menschen und das umfangreichste aller zurzeit bekannten Hai-Genome. „Bisher wurden nur wenige Tiere sequenziert, die ein noch größeres Genom aufweisen“, sagt Arne Sahm, der Erstautor der Studie, und verweist dabei auf den Axolotl und kürzlich veröffentlichte Genomstudien zum Lungenfisch. Ebenso wie beim Axolotl und dem Lungenfisch ist die enorme Größe des Grönlandhai-Genoms in erster Linie auf das Vorhandensein repetitiver und sich häufig selbst replizierender Elemente zurückzuführen. Solche transponierbaren Elemente, manchmal auch als springende Gene bezeichnet, machen über 70 % des Grönlandhai-Genoms aus. Dies ist erstaunlich, da ein hoher Anteil transponierbarer Elemente zumeist als schädlich angesehen wird. Tatsächlich können springende Gene die Integrität anderer Gene zerstören und die Gesamtstabilität des Genoms verringern. Im Fall des Grönlandhais scheint der hohe Anteil springender Gene die Lebensdauer der Art aber nicht begrenzt zu haben.
Im Gegenteil: Sahm und Kollegen vermuten, dass die Aktivität transponierbarer Elemente sogar zur extremen Langlebigkeit des Grönlandhais beigetragen haben könnte. Grund dafür könnte sein, dass auch andere Gene die Maschinerie transponierbarer Elemente „kapern“ gekapert haben, um sich zu vervielfältigen. Das Team vermutet, dass während der Evolution des Grönlandhais mehrere Gene diese Gelegenheit ergriffen haben. Überraschenderweise waren das häufig solche Gene, die auch an der Reparatur von DNA-Schäden beteiligt sind. „In jeder unserer Zellen wird die DNA täglich tausende Male beschädigt und spezialisierte molekulare Mechanismen reparieren sie ständig“, erklärt Cellerino. Ein bemerkenswertes Ergebnis vergleichender Genomstudien ist, dass langlebige Säugetierarten ihre DNA außergewöhnlich effizient reparieren können. Die Ergebnisse des Teams sind also ein weiterer Hinweis darauf, dass die DNA-Reparatur ein allgemeiner Mechanismus sein könnte, der der Evolution außergewöhnlicher Langlebigkeit zugrunde liegt. „Unter Umständen hat die Evolution des Grönlandhais einen Weg gefunden, die negativen Auswirkungen transponierbarer Elemente auf die DNA-Stabilität auszugleichen – indem sie die Maschinerie der transponierbaren Elemente selbst gekapert hat“, fügt Arne Sahm hinzu. Die Forscher möchten auch mehr über die Mechanismen erfahren, die die Verbreitung transponierbarer Elemente steuern. „Wir können nun damit beginnen, die Frage zu beantworten, ob die Stilllegung transponierbarer Elemente bei Grönlandhaien anders funktioniert als bei anderen Arten“, sagt Helene Kretzmer vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin.
Bemerkenswerterweise fand das Team auch eine spezifische Veränderung im Protein p53 – auch bekannt als „Wächter des Genoms“. Viele Studien zeigen, dass p53 als Kontrollzentrum fungiert, das auf DNA-Schäden sowohl im Menschen als auch bei vielen anderen Arten reagiert. „Dieses Protein ist bei etwa der Hälfte aller menschlichen Krebserkrankungen mutiert und der wichtigste Tumorsuppressor, den wir kennen. Daher ist p53 auch ein essenzielles Gen für die Langlebigkeit“, sagt Steve Hoffmann. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um zu zeigen, inwieweit die beobachteten Veränderungen in kritischen Genen (wie p53 und molekularen Signalwegen, z. B. Vervielfältigungen von DNA-Reparaturgenen oder Veränderungen in Tumorsuppressoren) zur außergewöhnlichen Langlebigkeit des Grönlandhais beitragen.
„Unser Genomprojekt bietet nun eine Grundlage für viele unabhängige Studien, die uns helfen werden, die Evolution dieser bemerkenswerten Art besser zu verstehen“, unterstreicht Paolo Domenici vom CNR – IBF, Pisa. „Dies ist einer der Gründe, warum wir beschlossen haben, das Genom der wissenschaftlichen Gemeinschaft sofort zur Verfügung zu stellen“, fügt Alessandro Cellerino hinzu. Die Genomsequenz und die entsprechenden Webressourcen, die das Team nun veröffentlicht hat, ermöglichen es Forschern weltweit, die Gene zu analysieren, die sie interessieren. „Diese Arbeit ist ein Meilenstein für ein besseres Verständnis der Grundlagen der außergewöhnlichen Physiologie des Grönlandhais. Darüber hinaus hilft sie uns, erstmals seine genomische Vielfalt und damit die Populationsgröße dieser gefährdeten Art einzuschätzen“, kommentiert John Fleng Steffensen von der Universität Kopenhagen, der diese riesigen Tiere seit fünfzehn Jahren in ihrer natürlichen Lebensumgebung erforscht.
Zusatzinformationen:
Das Leibniz-Institut für Alternsforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena widmet sich seit 2004 der biomedizinischen Alternsforschung. Rund 350 Mitarbeiter aus ca. 40 Nationen forschen zu molekularen Mechanismen von Alternsprozessen und alternsbedingten Krankheiten. Näheres unter www.leibniz-fli.de.
Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 97 eigenständige Forschungseinrichtungen. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen - in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Die Leibniz-Institute unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.500 Personen, darunter 11.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Das Finanzvolumen liegt bei 2 Milliarden Euro. (www.leibniz-gemeinschaft.de).
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Steve Hoffmann, steve.hoffmann@leibniz-fli.de
Originalpublikation:
Der Preprint, der erste Einblicke in das Genom des Grönlandhais liefert, ist jetzt auf biorXiv verfügbar: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.09.611499v1
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