Evolution der Farbmusterbildung bei Danio-Fischen
 

Die meisten Tiere sind pigmentiert; die Pigmentierung kann z.B. Schutz vor schädlicher UV-Strahlung bieten oder der Thermoregulation dienen. Sehr weit verbreitet sind jedoch auch Pigmentierungsmuster, z.B. zur Tarnung oder Abschreckung, oder zur innerartlichen Kommunikation. Da diese Muster Ziel der natürlichen und sexuellen Selektion sind, haben sie eine große evolutionäre Bedeutung. Wir untersuchen von Zebrabärblingen ausgehend die genetischen Grundlagen der Diversifizierung der Farbmuster in der Gruppe der Danio-Fische.
 

In den letzten Jahrzehnten sind Zebrabärblinge (Danio rerio, umgangssprachlich auch ’Zebrafische’) zu einem sehr wichtigen Modellorganismus der bio-medizinischen Grundlagenforschung geworden. Das heißt, sehr viele biologische Prozesse werden mit Hilfe der Fische erforscht, und es sind viele Gene bekannt, die an der Entwicklung von der befruchteten Eizelle bis hin zum fertigen Fisch beteiligt sind.

Ausgewachsene Zebrabärblinge haben ein sehr auffälliges Muster aus horizontalen dunklen und hellen Streifen am Körper, das sich in die Anal- und Schwanzflossen fortsetzt. Dieses Muster wird von drei unterschiedlichen Typen von Pigmentzellen gebildet: Melanophoren, in denen das dunkle Pigment Melanin synthetisiert wird, Xanthophoren, die gelb/orange Pigmente enthalten, und Licht reflektierende Iridophoren.

Experimente haben gezeigt, dass alle drei Klassen von Pigmentzellen vorhanden sein und miteinander kommunizieren und interagieren müssen, damit das Streifenmuster entsteht. Es gibt eine ganze Reihe von Mutationen bei Zebrabärblingen, die zu Defekten bei der Zell-Zell-Kommunikation führen; dann kann kein regelmäßiges Streifenmuster mehr entstehen, sondern es wird z.B. ein Muster aus unregelmäßigen und unterbrochenen Streifen oder auch aus Tupfen gebildet.
Andere Danio-Arten, die sehr nah mit Zebrabärblingen verwandt sind, weisen erstaunlich vielfältige Farbmuster auf, was sie u.a. auch zu attraktiven Aquarienfischen macht, die weltweit gehandelt und gezüchtet werden.

Es gibt Arten, die ebenfalls horizontal gestreift sind, jedoch nicht ganz so regelmäßig wie Zebrabärblinge (Danio kyathit, Danio nigrofasciatus). Fische anderer Arten sind getupft (Danio tinwini, Danio margaritatus), quergestreift (Danio aesculapii, Danio chopae, Danio erythromicron) oder haben fast gar kein Muster (Danio albolineatus). Diese Variation bietet eine hervorragende Grundlage, um die Evolution der Pigmentmusterbildung in einer eng verwandten Gruppe von Wirbeltieren zu untersuchen; mit dem großen Vorteil, dass von einem sehr gut untersuchten Modell-Organismus ausgegangen werden kann.

In Zebrabärblingen untersuchen wir das Verhalten der Zellen in vivo, im sich entwickelnden Tier. Dabei vergleichen wir ‚normale‘ wildtypische Fische mit Mutanten und mit Fischen der anderen Arten. Es ist auch möglich Hybride zwischen den verschiedenen Danio-Arten zu erhalten, und so Gene zu identifizieren, deren Funktionen sich im Laufe der Evolution verändert haben. Die rasanten technischen Entwicklungen der letzten Jahre, insbesondere im Bereich der Genomsequenzierung und der gezielten Genom-Editierung mit dem CRISPR/Cas-System, ermöglichen es uns Genfunktionen nun auch in anderen Danio-Arten zu untersuchen.
 

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