Genomstudie: Braune Baumnatter auf Guam zeigt verborgene genetische Vielfalt (University at Buffalo, USGS)

Nach dem Zweiten Weltkrieg gelangten irgendwann einige Braune Baumnattern auf die Pazifikinsel Guam – vermutlich höchstens zehn Tiere, wie es die beste genetische Schätzung nahelegt. Wahrscheinlich kamen sie als blinde Passagiere in Frachtgut an.

Normalerweise führt eine Population, die aus so wenigen Individuen entsteht, rasch zu Inzucht. Und Inzucht gilt als Problem, weil sie die genetische Vielfalt verringern soll, die eine Art für Anpassungen braucht. Bei diesen Schlangen lief es jedoch scheinbar umgekehrt.

Die Tiere breiteten sich über Guam aus, fraßen die einheimischen Waldvögel, drängten mehrere Arten lokal in die Ausrottung und kommen heute schätzungsweise auf rund 2 Millionen Individuen auf der Insel.

Dass dieser Erfolg mit einem derart schmalen „Stammbaum“ zusammenpasst, ließ sich lange schwer erklären.

Eine neue Genomstudie der University at Buffalo (UB) liefert nun einen Hinweis, den ältere Sequenzierverfahren nicht erfassen konnten.

Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des U.S. Geological Survey (USGS).

Moderne Technik liefert neue Hinweise

Ein großer Teil dessen, was über genetische Vielfalt bekannt ist, beruht darauf, einzelne Buchstabenfehler in der DNA zu zählen: Eine Base ist gegen eine andere ausgetauscht, also ein A an einer Stelle, an der zuvor ein G stand.

Solche „Typos“ lassen sich gut erfassen, weil frühe Sequenziergeräte DNA nur in kurzen Fragmenten gelesen haben.

Größere Umbauten gingen dabei oft unter – etwa wenn ein ganzer DNA-Abschnitt gelöscht, kopiert oder an eine andere Position auf dem Chromosom verschoben wird.

Moderne Long-Read-Sequenzierung liest deutlich längere DNA-Strecken am Stück. Dadurch kann sie diese größeren Veränderungen erkennen, die als Strukturvarianten bezeichnet werden und per Definition mindestens 50 Basenpaare umfassen.

Levi Gray ist Postdoktorand im UB-Labor, das die Analyse geleitet hat.

„Es ist, als würde man Abschnitte aus zwei Büchern mit einer Lupe Buchstabe für Buchstabe vergleichen und glauben, sie seien identisch – ohne zu merken, dass ganze Absätze verschoben oder doppelt vorhanden sind“, sagte Gray.

„Ältere Sequenziertechnologie hat es uns nicht leicht gemacht zu sehen, dass DNA bei einem Individuum an einer völlig anderen Stelle auf dem Chromosom liegen kann als bei einem anderen.“

Tausende DNA-Varianten

Zuerst setzte das Team aus dem Erbgut einer einzelnen weiblichen Schlange ein hochwertiges Referenzgenom zusammen. Das Tier war auf Cocos Island gefangen worden, einer Barriere-Insel etwa 1,9 Kilometer südlich vor Guam.

Anschließend wurden acht weitere Schlangen – drei Weibchen und fünf Männchen – von der Hauptinsel erneut sequenziert.

Die Forschenden fanden und bestätigten knapp 19.000 Strukturvarianten, überwiegend Deletionen und Insertionen.

Das ist bemerkenswert viel Variation für eine Schlange, deren Vielfalt bei Ein-Buchstaben-Unterschieden eher gering erscheint.

Auffällig ist vor allem die Größenordnung: Strukturvarianten betrafen nahezu achtmal mehr vom Genom als Ein-Buchstaben-Veränderungen.

Berücksichtigt man nur die Unterschiede zwischen den beiden Chromosomenkopien eines Tieres, veränderten Strukturvarianten ungefähr zehnmal so viel DNA wie Ein-Buchstaben-Änderungen.

Dieser Vorrat an Variation war bislang fast vollständig unberücksichtigt geblieben.

Vielfalt konzentriert sich auf Immunität und Geruch

Die Strukturvarianten waren nicht zufällig verteilt. Am dichtesten traten sie in Genpromotoren auf – kurzen DNA-Abschnitten, die steuern, wann ein benachbartes Gen aktiviert wird. Dort lagen sie bei etwa 17,58 pro Megabase.

Außerdem häuften sie sich überzufällig in zwei Genklassen: in Genen, die das Immunsystem steuern, und in Genen, die für den Geruchssinn wichtig sind.

Zu den Immun-Genen gehörte auch eine Gruppe, mit der der Körper eindringende Mikroben erkennt: der Major Histocompatibility Complex (MHC).

Vielfalt in solchen Genen bleibt Inzucht häufig eher erhalten als Vielfalt in anderen Bereichen, weil ein breit aufgestelltes „Immun-Werkzeugset“ hilft, mehr Krankheitserreger abzuwehren.

Trevor Krabbenhoft ist außerordentlicher Professor für Biowissenschaften an der UB und korrespondierender Autor der Studie.

„Die Braune Baumnatter ist vielleicht nicht extrem vielfältig, aber sie hat wichtige Quellen genetischer Vielfalt, die bislang unterschätzt wurden“, sagte Krabbenhoft.

Ein besonders ausgeprägter Geruchssinn

Die Geruchs-Gene liefern zudem einen Hinweis darauf, wie sich diese Immunvielfalt immer wieder auffüllen könnte. Viele Tiere wählen Partner, deren Immun-Gene sich von den eigenen unterscheiden, damit der Nachwuchs ein breiteres Repertoire erbt.

Braune Baumnattern nutzen ihren Geruchssinn intensiv und „schmecken“ beim Jagen mit ihrer gegabelten Zunge die Luft. Derselbe Sinn könnte auch beeinflussen, wie die Tiere auf Guam miteinander umgehen.

In ihrem ursprünglichen Verbreitungsgebiet sind die Schlangen dafür bekannt, andere Schlangen zu fressen. Auf Guam gibt es dafür jedoch kaum Anzeichen.

„Der besonders ausgeprägte Geruchssinn der Schlangen könnte es ihnen ermöglichen, einander eher als so etwas wie Geschwister zu erkennen – gerade angesichts der hohen Inzuchtraten – statt als Beute“, sagte Gray.

Sehr starkes Ausmaß an Inzucht

Nach den üblichen Maßstäben handelt es sich um eine Population mit einem drastischen Flaschenhals.

Im Durchschnitt liegen 49,2 Prozent des Genoms jeder Schlange in langen Abschnitten mit nahezu keiner Variation – ein typisches Kennzeichen enger Inzucht.

Der historische Einbruch war erheblich: Modelle setzen die Zahl effektiver Zuchttiere während der Invasion auf unter 1.000 an – weit unter den Millionen Schlangen, die heute leben.

Dieses Inzuchtniveau entspricht dem der Östlichen Massasauga-Klapperschlange, einer bedrohten Art, die nur noch in wenigen kleinen Populationen vorkommt und wegen ihres schrumpfenden Genpools als gefährdet gilt.

Die Braune Baumnatter trägt eine ähnliche Last – und bleibt dennoch erfolgreich.

Entstand die Vielfalt erst nach Guam?

Offen bleibt, wann diese Variation entstanden ist. Große genomische Veränderungen sammeln sich normalerweise über viele Generationen an, auch wenn ein harter Flaschenhals ihre Entstehung beschleunigen kann.

„Ist es möglich, dass ein Teil dieser Vielfalt erst nach der Invasion entstanden ist? Das ist möglich, aber um das sicher zu wissen, müssten wir Schlangen aus den ursprünglichen Populationen sequenzieren“, merkte Gray an.

Die Autorinnen und Autoren nennen weitere Grenzen der Arbeit. Das verwendete Vorgehen erkennt komplexe Umlagerungen gut, kann aber einige große Insertionen übersehen.

Regionen mit vielen Wiederholungen – wie der Immungen-Cluster – sind außerdem schwer zu assemblieren; um das Muster zu bestätigen, wäre eine vollständige Kartierung dieser Gene nötig.

Hoffnung jenseits der Invasion

Die Ergebnisse machen Jahrzehnte der Bemühungen, die Braune Baumnatter auf Guam zu kontrollieren, zwar komplexer. Gleichzeitig geben sie Anlass zur Hoffnung, dass bedrohte Arten mehr verborgene genetische Vielfalt besitzen könnten, als bisher angenommen.

In der Praxis bewerten Verantwortliche die „genetische Gesundheit“ einer Population häufig allein anhand der Ein-Buchstaben-Diversität.

Eine Art, die nach diesem Maßstab verarmt wirkt, könnte dennoch über einen Reservebestand an struktureller Variation verfügen, der in dieser Zählung nie erfasst wurde.

Erstautor der Studie ist Christopher Osborne, ein ehemaliger Doktorand in Krabbenhofts Labor und heute Gewässerbiologe an der State University of New York in Oswego.

„Es ist möglich, dass bedrohte Arten mehr Flexibilität in ihren Genen haben, als wir denken“, sagte Osborne.

„Wir verstehen jetzt besser, welche bislang unterschätzten Quellen genetischer Vielfalt erklären könnten, wie manche ingezüchteten Arten dennoch auf ihre Umwelt reagieren können.“

Die Finanzierung der Forschung erfolgte über Labor-Startmittel, die Krabbenhoft von der UB erhielt; die Autorinnen und Autoren geben an, keine konkurrierenden Interessen zu haben.