Studie identifiziert Gen, das dem Brutbeutel des Seepferdchens eine neue Funktion verleiht

Knochenfische umfassen eine vielfältige Gruppe, unter denen Seepferdchen eine einzigartige Morphologie aufweisen. Die charakteristischen Stacheln und Brutbeutel von Seepferdchen weisen charakteristische Epithelzellen – sogenannte Flammenkegelzellen – auf, die von einer Schleimkappe bedeckt sind.

Diese Zellen kommen jedoch nicht im Stachelnadelfisch Urocampus nanus oder im Algennadelfisch Syngnathus schlegeli vor, die enge Verwandte des Seepferdchens sind und zur Linie der Syngnathidae gehören. Während die Forschung die Funktion der Flammenkegelzellen vermutet, bleibt ihr evolutionärer Ursprung ein Rätsel.

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Assoc. Prof. Mari Kawaguchi und Prof. Shigeki Yasumasu vom Department of Materials and Life Sciences der Sophia University haben im Seepferdchen Hippocampus abdominalis ein „Orphan“-Gen identifiziert – ein Gen ohne identifizierbare homologe Sequenzen in anderen Arten oder Abstammungslinien. Sie glauben, dass dieses Gen, das als Prolin-Glycin-reiches (pgrich)-Gen bezeichnet wird, mit der Entwicklung der Flammenkegelzellen im Brutbeutel zusammenhängt. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Zell- und Gewebeforschungam 25. Mai 2023.

Dr. Kawaguchi erläutert den Grund für die Fortsetzung dieser Untersuchung und sagt: „Seepferdchen haben eine faszinierende Morphologie, und Männchen tragen Embryonen in ihrem Brutbeutel. Die Geburt männlicher Seepferdchen ist ein seltenes Phänomen im Tierreich und macht das Seepferdchen zu einem Modellorganismus für die Erforschung der Evolution. Wir wollten unbedingt die Gene identifizieren, die für die Bildung der Flammenkegelzellen im Brutbeutel verantwortlich sind.“

Das Team kombinierte zunächst histologische Färbung mit Elektronenmikroskopie, um zu bestätigen, dass die Flammenkegelzellen auf dem äußeren Epithel des Brutbeutels bei H. abdominalis vorhanden waren, nicht jedoch bei U. nanus oder S. schlegeli. Anschließend zeigten In-situ-Hybridisierungs- und immunhistochemische Methoden, dass das pgrich-Gen exprimiert wurde und sein Protein in Flammenkegelzellen der Körperoberfläche lokalisiert war.

Die Aminosäuresequenzen des Proteinprodukts des pgrich-Gens, PGrich, zeigten teilweise Ähnlichkeit mit der übersetzten Aminosäuresequenz, die aus dem Antisense-Strang – dem nichtkodierenden Teil – des Elastin-Gens der großen Seenadel abgeleitet wurde. Durch Sequenzanalysen entdeckte das Team viele transponierbare Elemente rund um das pgrich-Gen. Sie vermuten, dass sich das pgrich-Gen aus dem Elastin-Gen in Seenadeln entwickelt hat und anschließend eine neue Funktion bei der Bildung von Flammenkegelzellen erhalten hat, die nur bei Seepferdchen vorkommen.

Während das Team weiterhin die Entwicklung des Brutbeutels des Seepferdchens zusammenfasst, kommt Dr. Kawaguchi zu dem Schluss: „Die Evolutionsgeschichte des pgrich-Gens könnte Hinweise darauf geben, wie das Orphan-Gen entstand und wie sich der Brutbeutel in dieser Linie entwickelte. Seepferdchen sind in Heimaquarien beliebt, und das Verständnis dieser Phänomene wird dazu beitragen, die Faszination der Menschen für diese Fische zu steigern.“