Als beispielsweise Carl Fredrik Fallén – und später Johan Wilhelm Zetterstedt – Insekten für die späteren entomologischen Sammlungen der Universität Lund sammelten, fragten sie sich, was genau das Summen aus ihrer Rosinendose verursachte.
Springen wir 200 Jahre vorwärts, dann ist die einfache Fruchtfliege, die Genetiker besser als Drosophila melanogaster kennen, eines der am gründlichsten untersuchten Tiere auf dem Planeten. Die DNA aus Falléns und Zetterstedts jahrhundertealten Kuriositäten enthüllt immer noch neue Erkenntnisse über die Entwicklung der Fliege, die sich zusammen mit den Menschen in neue Teile der Welt ausbreitete.
Forscher der University of Wisconsin-Madison und der Universität Lund extrahierten und analysierten DNA von Fruchtfliegen, die in Museumssammlungen in Lund, Stockholm und Kopenhagen untergebracht sind. Bei den Fliegen handelt es sich um Museumsexemplare, die von Naturforschern in Europa bereits im ersten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts und erst in den 1930er Jahren gesammelt wurden.
Die frühen Fliegenfinder hielten alle Insekten, die sie in die Finger bekamen, für eine Aufbewahrung wert – zu Falléns Exemplaren gehören tatsächlich einige, die offenbar seine Rosinen genossen haben –, konnten sich aber wahrscheinlich nicht vorstellen, welche Bedeutung Drosophila für die Wissenschaft hatte.
„Diese Art ist seit weit über einem Jahrhundert ein wichtiger Akteur in der biologischen Grundlagenforschung“, sagt John Pool, Professor für Genetik an der UW-Madison. „Wir haben uns daran gewandt, um etwas über die Grundregeln des Lebens zu lernen, wie genetische Variation in natürlichen Populationen aussieht und wie unterschiedliche evolutionäre Kräfte die Vielfalt prägen. Und das ist genau mein Fachgebiet.“
Das bedeutet, dass die Gene von Fruchtfliegen möglicherweise häufiger als bei jedem anderen Tier sequenziert, katalogisiert und beschrieben wurden. Aber diese Proben stammten von modernen Exemplaren. Da eine Fruchtfliege etwa 50 Tage lebt, wurden die neuen DNA-Proben beschrieben in einer heute veröffentlichten Studie im Tagebuch PLOS-Biologie– stammen von einigen sehr alten Verwandten der Fliegen, die heutzutage um unsere Obstschalen herumschwirren.
„Es ist nicht so ungewöhnlich, nützliche DNA aus sehr alten Exemplaren unserer hominiden Vorfahren oder anderer Tiere zu gewinnen“, sagt Pool. „Aber die Anzahl der Generationen – etwa 3.000 –, die in den Fliegenpopulationen vergangen sind, seit einige von ihnen, die wir sequenziert haben, am Leben waren, entspricht ungefähr der Anzahl unserer Generationen, seit die Menschen aus Afrika kamen.“
Der Lund-Zoologe Marcus Stensmyr gewann genetisches Material von den Museumsfliegen, indem er sie in eine Lösung eintauchte, die Zellmembranen aufbricht, um große Moleküle im Inneren freizusetzen. Die Fliegen wurden gewaschen und getrocknet und in die Museumssammlung zurückgebracht. Ihre DNA wurde aus der Lösung extrahiert und an der UW-Madison analysiert.
Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass die im frühen 19. Jahrhundert in Schweden gesammelten Fruchtfliegen den Fliegen des 21. Jahrhunderts genetisch ähnlicher waren als die schwedischen Proben aus den 1930er Jahren. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die älteren Fliegen in der Geschichte der Drosophila zu den ersten Ankömmlingen gehören, die weit nördlich ihres ursprünglichen Verbreitungsgebiets im südlichen Afrika eingetroffen sind. Eine Zeit lang waren sie ein kleiner Außenposten, in dem zufällige Mutationen im Laufe des 19. Jahrhunderts zu größeren Unterschieden in der Bevölkerung führten – mehr zu dem, was man „genetische Drift“ nennt. Schwedische Fliegen würden jedoch weniger einzigartig werden, wenn ihre Zahl durch den breiteren europäischen Genpool verstärkt würde.
„Zwischen den 1930er Jahren und heute hätte es einen enormen Anstieg des Obsttransports und im Allgemeinen mehr Menschentransporte gegeben, was wahrscheinlich die Möglichkeiten für Drosophila-Wanderungen über größere Entfernungen erhöht hätte“, sagt Pool. „Was wir also zwischen den 1930er Jahren und der Gegenwart zu sehen glauben, ist der Effekt dieser Migration, der im Wesentlichen die genetische Variation homogenisiert.“
Durch den Vergleich der Veränderungen der ihnen nun zur Verfügung stehenden Fliegenproben über die Jahrhunderte hinweg identifizierten die Forscher auch eine Handvoll Gene, die Anzeichen von evolutionärem Druck aufwiesen.
„Das war ein Hauptinteresse unserer Studie, herauszufinden, welche Gene möglicherweise am wichtigsten bei der Anpassung dieser Fliegenpopulation an ein völlig neuartiges Klima und eine neuartige Umgebung waren“, sagt Pool.
Unterschiede zwischen der DNA von Proben aus den 1930er Jahren und ihren heutigen Verwandten zeigten die Entstehung eines Gens namens Cyp6g1, von dem heute bekannt ist, dass es die Fliegen resistenter gegen das Pestizid DDT macht.
„Das war unser bestes Ergebnis für die jüngere Zeit“, sagt Pool. „Und das machte im Hinblick auf den Zeitpunkt der Einführung von DDT absolut Sinn.“
Das war in den 1940er Jahren, nicht lange nachdem die jüngsten Museumsquellen der Studie für Drosophila noch in der Luft waren. Wichtige genetische Veränderungen davor zeigen, dass ein Gen namens Ahcy die Anpassung der Fliegen an kühlere Temperaturen und kürzere Tage – wichtige Faktoren im Fortpflanzungszyklus der Fliege – im 19. Jahrhundert in Schweden (und anderen Gebieten in hohen Breitengraden) unterstützte.
Es wurde angenommen, dass ein anderes Gen, ChKov1, mit Insektiziden zusammenhängt, aber DNA von Museumsfliegen, die im 19. Jahrhundert gesammelt wurden, zeigte, dass sich das Gen entwickelte, bevor die entsprechenden Insektizide überhaupt erfunden wurden. Frühere Arbeiten anderer Forscher hatten darauf hingewiesen, dass ChKov1 auch Resistenz gegen ein Virus namens Sigmavirus verleiht, von dem angenommen wird, dass es vor etwa 200 Jahren bei Fliegen aufgetreten ist.
„Unsere Ergebnisse sprechen deutlich für die Virusresistenz-Hypothese gegenüber der Insektizid-Resistenz-Hypothese“, sagt Pool. „Das ist also ein Beispiel für ein Gen, von dem bereits vermutet wurde, dass es einer natürlichen Selektion unterliegt, aber wir haben durch die zeitlichen Proben einige neue Dinge darüber gelernt.“
Es ist ein Beweis sowohl für die Arbeit, die vor langer Zeit von neugierigen Wissenschaftlern geleistet wurde, die neue Wege auf ihrem Gebiet beschritten haben, als auch dafür, dass heutige Praktiker moderne Technologie mit nahezu dem gleichen Effekt nutzen.
„Dies ist ein Beispiel dafür, was uns Millionen von Museumsexemplaren auf der ganzen Welt über die Veränderungen sagen könnten, die bei vielen verschiedenen Arten stattgefunden haben“, sagt Pool.
Mehr Informationen:
Max Shpak et al., Genome aus historischen Exemplaren von Drosophila melanogaster beleuchten adaptive und demografische Veränderungen über mehr als 200 Jahre Evolution, PLOS-Biologie (2023). DOI: 10.1371/journal.pbio.3002333