Epigenetische Regulation hilft bei konvergenter Evolution

13. Juni 2019 | Von | Kategorie: grundlagenforschung

Timothy B. Sackton et al.: Convergent regulatory evolution and loss of flight in paleognathous birds. Science 364, 05.04.2019, S. 74-78.

Helmkasuar. Bildrechte: Luke Seitz.

Evolutionsbiologen sind immer wieder fasziniert von der Existenz so genannter konvergenter Entwicklungen. Das Auge wurde ebenso mehrfach im Tierreich entwickelt wie das Fliegen oder die zu Grabwerkzeugen umfunktionierten Vorderbeine bei Maulwürfen und Maulwurfsgrillen. Ein spannendes Beispiel für konvergente Evolution bei vergleichsweise nahe verwandten Arten ist der mehr oder weniger vollständige Verlust der vorderen Extremitäten und damit der Flugfähigkeit bei verschiedenen Laufvogelarten. Strauße, Nandus, Emus, Kasuare, Kiwis oder auch die ausgestorbenen Moas können oder konnten zwar alle nicht fliegen, das Merkmal ist in ihrer Gruppe aber mindestens drei, vielleicht sogar sechs Mal unabhängig voneinander entstanden.

Jetzt hat ein internationales Forscherteam sich den Knochenbau sowie die Genetik und Epigenetik der Laufvögel und einiger verwandter flugfähiger Vögel genauer angesehen und klare Hinweise darauf gefunden, dass auch artspezifische Veränderungen der Genregulation konvergente Entwicklungen bewirken können. So fanden die Biologen anders als frühere Gruppen keine Hinweise darauf, dass Mutationen in bestimmten Genen die Rückbildung der Flügel ausgelöst haben. Stattdessen sind eindeutig mehrere so genannte Enhancer betroffen, also epigenetisch aktive Elemente, die die Ablesefrequenz benachbarter Gene heraufregulieren sobald einpassendes Protein (Transkriptionsfaktor) an sie bindet.

Stammbaum der flugfähigen und flugunfähigen Urkiefervögel (Paläognathen). Rote Linien symbolisieren die Entwicklung der Flugunfähigkeit. Dafür wichtige Skelettteile sind das Sternum (Brustbein) und die Flügelknochen. Bildrechte: Tim Sackton/Lily Lu (skeletal elements)/PhyloPic & Darren Naish & T. Michael Keesey (silhouettes).

Mit Hilfe einer Atac-seq genannten Methode identifizierten die Forscher während der entscheidenden Entwicklungsphase der Jungvögel all jene Stellen im Erbgut, an denen die DNA epigenetisch besonders leicht zugänglich war. Es zeigte sich, dass hier auch Enhancer liegen, die das Wachstum der Flügel anregen, indem sie die passende Genaktivität verstärken, und sich noch dazu zwischen flugfähigen und flugunfähigen Vögeln systematisch unterscheiden. Vor allem aber: Bei den geflügelten Vögeln funktionierte mindestens einer dieser Enhancer gut, während er bei den flügellosen Vögeln nicht mehr richtig arbeitete. Die Genregulation steuere zur konvergenten Evolution der Laufvögel offenbar eine „substantielle Komponente bei“, lautet das Fazit der Forscher.

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