Neue Studie: Springende Gene im Zweifinger-Faultier und ihre Verbindung zu Mitochondrien

Faultiere sind eine Ausnahmeerscheinung: Sie zählen zu den langsamsten Säugetieren der Erde, besitzen zugleich einen extrem niedrigen Stoffwechsel und halten ihre Körpertemperatur nicht fortlaufend auf einem konstanten Niveau.

Eine neue genetische Untersuchung liefert nun Hinweise darauf, wie diese berühmt gemächlichen Tiere im Verlauf der Evolution zu einem derart konsequent energiesparenden Lebensstil gelangt sind.

Genom-Analyse beim Zweifinger-Faultier (Choloepus didactylus)

Ein internationales Forschungsteam hat das Zweifinger-Faultier (Choloepus didactylus) umfassend genetisch analysiert und die Ergebnisse mit denen von Dutzenden anderer Säugetiere abgeglichen. In den Vergleich einbezogen wurden auch nahe verwandte Nebengelenktiere wie Ameisenbär und Gürteltier.

Dabei stiessen die Forschenden auf mehrere DNA-Sequenzen, die ihre Position im Erbgut verändern oder sich selbst an anderer Stelle erneut einfügen können.

Diese Elemente sind als „Transposons“ beziehungsweise „springende Gene“ bekannt und gelten als wichtiger Baustein, wenn es darum geht zu verstehen, wie sich Merkmale im Laufe der Evolution herausbilden.

Transposons („springende Gene“) seit über 30 Millionen Jahren

Beim Faultier und seinem Ast im Stammbaum der Evolution lässt sich laut den Daten nachzeichnen, dass solche Transposons bereits seit mehr als 30 Millionen Jahren im Genom aktiv umherwandern.

Besonders auffällig war für das Team jedoch, dass ein Teil dieser Sequenzen mit Mitochondrien verknüpft ist – den „Kraftwerken“ innerhalb der Zellen – sowie mit weiteren Genen, die am Stoffwechsel beteiligt sind.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Faultiere möglicherweise genetische ‚Backup-Systeme‘ entwickelt haben, die ihre ‚entspannten Mitochondrien‘ ausgleichen und ihren einzigartigen Lebensstil unterstützen“, sagt die Biodiversitätsgenomikerin Camila Mazzoni vom Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung in Deutschland.

Anders ausgedrückt: Weil Faultierzellen offenbar nur geringe Energieanforderungen haben, könnten sich in ihren vergleichsweise trägen mitochondrialen Genomen über die Zeit Mutationen ansammeln.

Die „springenden Gene“ könnten dabei eine Art Ausgleichsmechanismus darstellen, indem sie alternative genetische Wege eröffnen, die den Organismus funktionsfähig halten. Aber ohne weitere Untersuchungen lässt sich das nicht sicher sagen.

Auffällig ist zudem, dass mehrere der gefundenen Sequenzen über rund 30 Millionen Jahre hinweg konserviert geblieben sind. Sie scheinen auf einen gemeinsamen Vorfahren heutiger Faultiere zurückzugehen, sind aber erst entstanden, nachdem sich Faultiere von Ameisenbären und Gürteltieren abgespalten hatten.

„Faultiere haben den langsamsten Stoffwechsel aller Säugetiere und bleiben dennoch gesund“, sagt Mazzoni.

„Zu verstehen, wie ihnen das gelingt, könnte neue Einblicke darin liefern, wie Zellen Energie effizient handhaben.“

Mitochondrien und mögliche Relevanz für die menschliche Gesundheit

Ein Leben im Zeitlupentempo könnte der zentrale Vorteil dieser Anpassungen sein – und die Resultate der Studie könnten auch für die menschliche Gesundheit bedeutsam werden.

„Viele menschliche Erkrankungen – darunter Diabetes, altersbedingte Störungen, Neurodegeneration und Muskelschwund – hängen mit Problemen der Energiegewinnung und der mitochondrialen Funktion zusammen“, sagt der Molekularbiologe Pedro Galante vom Hospital Sírio Libanês in Brasilien.

So kann etwa Adipositas Mitochondrien beeinträchtigen; und Störungen dieser zellulären „Kraftwerke“ wurden mit Krankheiten wie Parkinson in Verbindung gebracht.

Die Überlegung dahinter: Wenn uns die DNA von Faultieren zeigt, wie ein Säugetier auch dann gesund bleiben kann, wenn es deutlich unter „Volllast“ läuft, könnte das Ansatzpunkte liefern, um diese energieproduzierenden Einheiten in menschlichen Zellen zu schützen.

„Auch wenn weitere Forschung nötig ist, könnten Faultier-Zelllinien ein natürliches Modell dafür liefern, wie Organismen mit energiearmen Zuständen zurechtkommen – und was bei Krankheiten aus dem Ruder läuft“, sagt Galante.

„Langfristig könnte das Forschung zu Gewebeerhaltung, Intensivmedizin, Alterung, Stoffwechselerkrankungen und sogar zu Raumfahrtmissionen über sehr lange Dauer beeinflussen.“

Gleichzeitig sei dabei Vorsicht geboten.

Denn DNA-Veränderungen, die durch springende Gene ausgelöst werden, können beim Menschen zu Erkrankungen wie Krebs führen. Umso bemerkenswerter erscheint es, dass Faultiere eine so hohe Toleranz gegenüber solchen Eingriffen ins Erbgut besitzen.

Als nächste Schritte wollen die Forschenden genauer untersuchen, welche kopier- und einfügefähigen Gene Faultiere über Dutzende Millionen Jahre hinweg behalten haben – und welche biologische Funktion sie konkret erfüllen, insbesondere im Zusammenspiel mit Mitochondrien und dem Stoffwechsel.

Diese Tiere haben Eigenschaften entwickelt, die andernfalls als nachteilig gelten könnten: Schnell statt langsam zu sein wird meist als bessere Überlebensstrategie angesehen. Ein Teil der Erklärung dafür scheint jedoch direkt in der DNA der Faultiere zu liegen.

„Die Evolution hat bereits Milliarden Experimente durchgeführt“, sagt die Bioinformatikerin Marcela Uliano-Silva vom Wellcome Sanger Institute in Grossbritannien.

„Indem wir ungewöhnliche Tiere wie Faultiere untersuchen, stossen wir manchmal auf biologische Lösungen, die der Mensch nie entwickelt hat.“

Die Studie ist in BMC Biology veröffentlicht worden.