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Dorsche kompensierten den Verlust lebenswichtiger Gene
Dorsche produzieren besonders wasserreiche Eier, obwohl ihnen zwei Gene fehlen, die bei anderen Meeresfischen für die Wasseraufnahme entscheidend sind. Untersuchungen zeigen nun, dass ein ursprünglich für die Freisetzung der Eizellen genutzter Wasserkanal diese Aufgabe übernommen hat. Der evolutionäre Funktionswechsel könnte vor 60 bis 84 Millionen Jahren erfolgt sein.
Barcelona (Spanien). Viele Meeresfische setzen Eier frei, die im Wasser schweben und mit den Strömungen verbreitet werden. Damit ihre Dichte geringer ist als die des Meerwassers, nehmen die Eizellen während ihrer Reifung große Mengen Wasser auf. Ohne diese Wasseraufnahme würden sie absinken und ihre Entwicklung wäre gefährdet.
Die Wasseraufnahme ist kein rein passiver Vorgang. In den Eizellen werden Dotterproteine zu freien Aminosäuren abgebaut, wodurch ein Konzentrationsgefälle entsteht, das Wasser ins Innere zieht. Spezielle Kanalproteine in der Zellmembran erleichtern dabei den Transport. Gerade bei Dorschen war lange unklar, welcher Wasserkanal diese Aufgabe erfüllt.
Forscher der University of Bergen (UiB) um Dr. Roderick Nigel Finn haben untersucht, wie Dorsche und verwandte Fische trotz dieses genetischen Verlusts schwimmfähige Eier bilden. Dafür verglichen sie die Aktivität von Wasserkanal-Genen bei Süßwasser- und Meeresfischen und analysierten die beteiligten Proteine mit verschiedenen Labormethoden.
Bei anderen Meeresfischen mit freischwebenden Eiern ermöglichen unter anderem Wasserkanäle des Typs Aqp1ab die starke Wasseraufnahme. In der gesamten Ordnung der Dorschartigen fehlen jedoch die Gene aqp1ab1 und aqp1ab2. Trotzdem können Eier des Atlantischen Kabeljaus zu 93 bis 97 Prozent aus Wasser bestehen und sogar in relativ salzarmem Wasser schwimmen.
„Dass Dorsche die üblichen Wasserkanäle verloren haben, die fast alle anderen Meeresfische nutzen, war ein völliges Rätsel“, erklärt Dr. Joan Cerdà vom Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC).
Als möglichen Ersatz identifizierte das Team einen Kanal vom Typ Aqp4, dessen Gen auf demselben Chromosom liegt wie die verlorenen Aqp1ab-Gene. In ursprünglich im Süßwasser lebenden Fischlinien unterstützt dieser Kanal die Ovulation, also die Freisetzung reifer Eizellen aus ihren Follikeln. Dazu gelangt Aqp4 während der Eireifung in die äußere Zellmembran und ermöglicht eine begrenzte Wasseraufnahme.
Experimente mit Zebrafischen und Atlantischen Kabeljauen stützen diese Zuordnung. Wird der Aqp4-Kanal gezielt gehemmt, bleibt beim Zebrafisch die Freisetzung der Eizellen aus, während beim Kabeljau die starke Wasseraufnahme in die heranreifende Eizelle verhindert wird. Der bereits vorhandene Kanal erfüllt damit bei Dorschen offenbar eine zusätzliche Aufgabe.
„Was uns faszinierte, war die Entdeckung, wie die Evolution einen völlig anderen Kanal übernahm, der ursprünglich nur für die Freisetzung der Eizellen bei Süßwasservorfahren genutzt wurde, und ihn zum Mechanismus der Wasseraufnahme in die Eizelle umfunktionierte, um den Auftrieb der Eier zu sichern. Das zeigt, wie bemerkenswert flexibel genetische Werkzeuge sein können, wenn die Evolution vor existenziellen Sackgassen steht“, erklärt Dr. Joan Cerdà.
Dabei blieb der grundlegende Antrieb der Wasseraufnahme erhalten. Der Abbau von Dotterproteinen und die daraus entstehenden gelösten Stoffe erzeugen weiterhin das notwendige Konzentrationsgefälle. Verändert hat sich vor allem der Kanal, über den das Wasser rasch in die Eizellen gelangt.