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Tintenfische: Auch genetisch einzigartig

Struktur des Kopffüßer-Erbguts unterscheidet sich von der aller anderen Tiere

Zwergtintenfisch
Dieser Hawaiianische Zwergtintenfisch (Euprymna scolopes) ist eine der drei Tintenfischarten, deren Genom Forschende jetzt analysiert haben. © Tom Kleindinst/ Marine Biological Laboratory

Einzigartig und rätselhaft: Tintenfische sind nicht nur wegen ihrer Intelligenz und Imitationskünste außergewöhnlich – auch ihr Genom unterscheidet sich substanziell von dem aller anderen Tiergruppen, wie eine Studie enthüllt. Das Erbgut von Oktopus, Kalmar und Co ist demnach teilweise größer als das des Menschen, aber völlig anders aufgeteilt und strukturiert. Dieses einzigartige Mosaik von Genen könnte einige der besonderen Eigenheiten der Tintenfische erklären.

Obwohl Tintenfische zu den wirbellosen Tieren gehören, sind sie alles andere als simpel gestrickt – im Gegenteil: Die Kopffüßer besitzen viele Merkmale, die denen hochentwickelter Säugetiere in nichts nachstehen. Dazu gehören ihre großen Linsenaugen, ihr komplexes Nervensystem, ihre Fähigkeit zu nahezu perfekter Mimikry und ihre große Lernfähigkeit und Intelligenz – sogar Werkzeuge nutzen und zählen können die cleveren Meeresbewohner.

Oktopus
Die Tintenfische umfassen neben zehnarmigen Zwergtintenfischen, Sepien und Kalmaren auch die achtarmigen Oktopusse wie den hier abgebildeten Kalifornischen Oktopus (Octopus bimaculoides). © Tom Kleindinst / Marine Biological Laboratory

Mehr Basenpaare als die menschliche DNA

Doch wie konnten diese wirbellosen Weichtiere eine so hohe Entwicklungsstufe erreichen? Das haben nun zwei Forschungsteams anhand von Erbgutanalysen von drei verschiedenen Tintenfischen untersucht: einem Oktopus, einem zehnarmigen Tintenfisch und einem Kalmar. Die Analysen bestätigten, dass diese Kopffüßer ein ungewöhnlich großes Genom besitzen.

Das Erbgut der Tintenfische umfasst weit mehr Basenpaare als das anderer Mollusken wie Muscheln oder Schnecken und ist das mit Abstand größte Genom unter allen wirbellosen Tieren, wie Caroline Albertin vom Marine Biological Laboratory in Woods Hole und ihr Team berichten. Das Erbgut des Oktopusses erreicht 90 Prozent der menschlichen Erbgutlänge, das des Küstentintenfisches Doryteuthis pealeii ist sogar 1,4-mal größer als das unsrige.

Gen-Aufteilung anders als bei allen anderen Tieren

Noch erstaunlicher jedoch ist die Struktur des Tintenfisch-Erbguts. Denn eigentlich sind die Genome aller Lebewesen in sehr ähnlicher Weise auf die Chromosomen aufgeteilt. Diese als Syntenie bezeichnete Grundstruktur verbindet alle Tiere über 600 Millionen Jahre der Evolution hinweg. Doch die Kopffüßer scheren aus dieser übergreifenden Ordnung aus. Auf ihren Chromosomen sind die Gene völlig anders angeordnet und aufgeteilt als bei allen anderen Tiergruppen, wie die Forschenden feststellten.

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„Es gibt immense Umstrukturierungen des Erbguts – als wenn die ursprünglichen Gene in einem Mixer püriert worden wären“, erklärt Koautor Clifton Ragsdale von der University of Chicago. Auf den Chromosomen der Tintenfische finden sich dadurch mehr als 500 Genblöcke, die in dieser Form im Tierreich einzigartig sind.

Evolutionsschub durch Umstrukturierung?

Interessant jedoch: Diese Genblöcke – sogenannte Mikrosyntenien – enthalten kaum neuartige Gene, wohl aber neuartige Genkombinationen. Dabei wurden sowohl die proteinkodierenden Gene als auch ihre Steuerelemente neu zusammengestellt. „Dies führt zu einer interessanten Situation, in der Gene neue Nachbarn bekommen und unter den Einfluss neuer regulatorischer Elemente geraten“, erklärt Albertin.

Dadurch könnte diese Umstrukturierung den Vorfahren der Tintenfische einen Evolutionsschub verliehen haben, der viele der einzigartigen Merkmale dieser Tiere hervorbrachte. Indizien dafür fanden Albertin und ihre Kollegen unter anderem bei einer Genfamilie, die vor allem im Nervensystem aktiv ist. Die Kopffüßer haben diese Protocadherine im Zuge ihrer genetischen Neuordnung durch Duplizieren vermehrt.

„Damit haben Kopffüßer und Wirbeltiere voneinander unabhängig diese Protocadherine dupliziert“, erklärt Albertin. „Dies führte zu einer reichhaltigen molekularen Landschaft, die die parallele Entwicklung des großen und komplexen Nervensystems bei beiden Tiergruppen gefördert haben könnte.“

Doryteuthis
Der Dritte unter den sequenzierten Tintenfischen ist der Kalmar Doryteuthis pealeii.© Elaine Bearer

mRNA-Editierung macht Proteinproduktion flexibler

Und noch eine einzigartige Eigenheit zeigt das Tintenfisch-Genom: „Ein erstaunliches Merkmal der Tintenfische ist die intensive Editierung der Boten-RNA durch Enzyme, die Adenosin-Basen in Inosine umwandeln“, berichten die Forschenden. An mehr als 500.000 Codeabschnitten im Erbgut haben die Wissenschaftler eine solche Änderung des Gencodes festgestellt. Zwar kommen solche mRNA-Editierungen auch bei Wirbeltieren vor, sind bei diesen aber um mehrere Größenordnungen seltener.

Der Clou daran: Diese nachträgliche Veränderung einer bereits von der DNA abgelesenen mRNA-Bauanleitung kann dazu führen, dass aus einem Gencode unterschiedliche Proteine erzeugt werden können. Das erweitert die funktionalen Möglichkeiten der Proteinbildung, indem beispielsweise in bestimmten Geweben oder Zellen trotz gleichen Basisgenoms leicht modifizierte Proteine entstehen. Tatsächlich kam diese mRNA-Editierung besonders häufig in den neuronalen Geweben der Tintenfische vor, wie Albertin und ihre Kollegen feststellten.

Viele offene Fragen

„Diese Entdeckung bietet nun den Anknüpfungspunkt für einige Fragen zu den Auswirkungen einer solchen RNA-Editierung“, sagt Albertin. So könnte dieser Mechanismus den Tintenfischen die Evolution ihrer komplexen Augen und Nervensystem erleichtert haben, er könnte ihnen aber auch dabei helfen, sich vergleichsweise schnell an neue Umweltbedingungen anzupassen.

„Durch unsere Forschung ist jetzt deutlich geworden, dass wir, um die Biologie der Kopffüßer zu verstehen, zuerst die genetischen Bausteine dieser Tiere verstehen müssen. Diese Bausteine scheinen sich aber radikal und in vielen Aspekten von dem zu unterscheiden, was wir von anderen Tieren kennen“, sagt Hannah Schmidbaur von der Universität Wien. (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-29748-w; doi: 10.1038/s41467-022-29694-7)

Quelle: Marine Biological Laboratory, Universität Wien

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