Ein konservierter genetischer Schalter für die Geschlechtsbestimmung über 150 Millionen Jahre der Evolution

Ein hochgradig konservierter Mechanismus steuert die Geschlechtsbestimmung in einem der vielfältigsten Insektenstämme der Erde.

Forscher haben einen konservierten genetischen Mechanismus entdeckt, der trotz großen Unterschieden in der DNA-Sequenz die Geschlechtsbestimmung bei Ameisen, Bienen und Hornissen steuert. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein wichtiger Lokus für die Geschlechtsbestimmung über mehr als 150 Millionen Jahre der Evolution funktionell unverändert geblieben ist. Dies stellt die bisher vorherrschende Meinung, dass sich solche Systeme schnell entwickeln und nur in bestimmten Insektenstämmen vorkommen in Frage. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege zum Verständnis der Evolutionsbiologie, des Naturschutzes und der genetischen Grundlagen der Entwicklung.

Auf den Punkt gebracht

• Evolutionäre Erhaltung: Der ANTSR-Locus steuert die weibliche Entwicklung in Ameisen, Bienen und Wespen seit über 150 Millionen Jahren. Dies bedeutet es ist eines der ältesten und stabilsten geschlechtsbestimmenden Systeme, das bei Tieren bekannt sind.
• Funktionelles Fortbestehen ohne Sequenzähnlichkeit: Trotz des vollständigen Verlusts der nachweisbaren DNA-Sequenzhomologie zwischen den Arten behält der ANTSR-Locus seine Funktion bei der Geschlechtsbestimmung bei. Dies stellt die seit langem vertretene Annahme in Frage, dass funktionelle Erhaltung Sequenzerhaltung voraussetzt.
• Funktion vor Form: Während sich die DNA-Sequenz selbst bis zur Unkenntlichkeit verändert hat, ist die Position des ANTSR-Lokus konstant geblieben und wirkt wie eine genetische Landmarke, die die weibliche Entwicklung bei den Arten steuert.

 

Die Geschlechtsbestimmung bei Insekten galt lange als schnell wechselnd: Master-Gene tauchen in verschiedenen Arten auf und verschwinden wieder. Doch eine neue Studie von Dr. Qiaowei Pan, jetzt am Max-Planck-Institut für Biologie, zusammen mit dem IMPRS-Doktoranden Chuanxin Yu und Forschenden aus Deutschland, Frankreich, der Schweiz und China, zeigt eine seltene Ausnahme: einen konservierten Lokus für die Geschlechtsbestimmung, der trotz großer evolutionärer Distanzen bei Ameisen, Bienen und Hornissen funktionell intakt geblieben ist. Der Auslöser für die Entdeckung war das einzigartige Geschlechtsbestimmungssystem der Argentinischen Ameise. Dort hängt die Entwicklung zu einer weiblichen Ameise von einer langen, nicht codierenden RNA-region namens ANTSR ab. Nur Individuen mit zwei verschiedenen Kopien des ANTSR-LoKus entwickeln sich zu Weibchen.

„Wir waren fasziniert vom evolutionären Ursprung eines scheinbar so fragilen Systems“, sagt Dr. Qiaowei Pan. "Wenn dieses System so besonders ist, könnte es dann weiter verbreitet sein, als wir dachten? Und wenn ja, könnte es Sequenzen der Funktionseinheit geben, die konserviert sind?"

Um diese Fragen zu beantworten, führte das Team eine groß angelegte vergleichende Genomikstudie an 41 Hautflüglerarten (Hymenoptera) durch, darunter Ameisen, Bienen und Wespen. Sie fanden heraus, dass der genetische Lokus und seine funktionelle Struktur eine gemeinsame, sehr alte Herkunft haben. Dies veranlasste sie zu der Frage, ob derselbe Lokus auch bei anderen Hautflüglern das Geschlecht steuert. Durch genetische Kartierung bei Hummeln und asiatischen Hornissen bestätigten sie, dass dieser Locus als primärer Schalter für die Geschlechtsbestimmung in der gesamten Gruppe fungiert, was eine funktionelle Erhaltung über einen evolutionären Zeitraum von etwa 150 Millionen Jahren belegt.

Interessanterweise konnte am ANTSR-Lokus keine Sequenzähnlichkeit zwischen den Arten festgestellt werden. Dies stellt die gängige Annahme in Frage, dass eine konservierte Funktion eine konservierte DNA-Sequenz erfordert. Stattdessen zeigt die Studie, dass genetische Elemente wichtige biologische Funktionen durch strukturelle oder regulatorische Mechanismen aufrechterhalten können, die nicht auf Sequenzidentität beruhen. Das ist ein Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie wir konservierte genomische Regionen identifizieren und verstehen.

„Dies ist ein faszinierendes Beispiel dafür, dass eine Funktion auch ohne Sequenz erhalten bleibt“, sagt Pan. "Es deutet darauf hin, dass genetische Elemente konservierte Funktionen durch andere Mechanismen als die primäre DNA-Sequenz beibehalten können, die die vorherrschende Grundlage für die Identifizierung konservierter genomischer Elemente ist.

Die möglichen Bedeutungen dieser Entdeckung sind weitreichend. Hymenoptera sind für Ökosysteme und Wirtschaft von entscheidender Bedeutung: als Bestäuber, biologische Schädlingsbekämpfer und invasive Arten. Die Entdeckung dieser weitgehend konservierten Region für die Geschlechtsbestimmung bietet ein molekulares Werkzeug für Zucht- und Erhaltungsprogramme. Sie ermöglicht es den Wissenschaftlern, die genetische Vielfalt am Geschlechtslokus in den Populationen der Aculeata (zu denen Ameisen, Bienen und Hornissen gehören) zu überwachen, was für die Vermeidung von Inzuchtdepressionen und die Sicherung der Lebensfähigkeit der Populationen von entscheidender Bedeutung ist.

„Der Verlust der Diversität an diesem Lokus führt zur Produktion nicht lebensfähiger Männchen und und die Population kann zusammenbrechen“, erklärt Dr. Pan. „Die Geschlechtsbestimmung bei Honigbienen wurde vor zwei Jahrzehnten entdeckt und revolutionierte unsere Sicht auf Bienenpopulationen. Aber sie ist evolutionär jung und nur bei Honigbienen relevant. Unser Fund hingegen gilt für die große Mehrheit aller Ameisen, Bienen und Hornissen – und das ist ein echter Durchbruch für den Naturschutz.“