Es wurde festgestellt, dass die Mutationsraten bei Walen viel höher sind als bisher berichtet

Ein internationales Team von Meereswissenschaftlern unter der Leitung der Universität Groningen in den Niederlanden und des Center for Coastal Studies in den USA hat die DNA von Familiengruppen von vier verschiedenen Walarten untersucht, um deren Mutationsraten abzuschätzen. Die Ergebnisse zeigten deutlich höhere Mutationsraten als bisher angenommen, die denen kleinerer Säugetiere wie Menschen, Affen und Delfine ähneln.

Anhand der neu ermittelten Raten stellte die Gruppe fest, dass die Zahl der Buckelwale im Nordatlantik vor dem Walfang um 86 % niedriger war als frühere Studien vermuten ließen. Die Studie ist der erste Beweis dafür, dass diese Methode zur Schätzung von Mutationsraten in Wildpopulationen verwendet werden kann. Es wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

Die Mutationsrate ist ein Schlüsselparameter in der Genetik und Genomik, wo sie zur Bestimmung der Evolutions- und Anpassungsraten verwendet wird. Es wird auch verwendet, um die Anzahl der Wale in den Ozeanen abzuleiten, bevor sie durch groß angelegten kommerziellen Walfang dezimiert wurden. Es ist jedoch schwierig abzuschätzen, mit welcher Rate neue Mutationen bei Walen oder anderen Wildarten auftreten.

Stammbaummethode

Lange Zeit wurde die phylogenetische Methode zur Messung von Mutationsraten eingesetzt. Diese Methode verwendet Fossildaten verschiedener Arten, um abzuschätzen, wann sie auseinander gingen. Anschließend wird die DNA dieser Arten verglichen, um abzuleiten, wie viele Mutationen seit der Divergenz aufgetreten sein müssen.

„Allerdings ist der Fossilienbestand nicht so genau. Und einige Mutationen könnten im Laufe der Zeit verschwunden sein“, sagt Per Palsbøll, Professor für Meeresevolution und -schutz an der Universität Groningen. Er erforscht seit Ende der 1980er Jahre Wale und ist korrespondierender Autor des Buches Wissenschaft Papier.

Ein neuerer Ansatz ist die Stammbaummethode, die die Genome eines Elternpaares und ihrer Nachkommen nutzt, um neue Mutationen im Nachwuchs zu identifizieren. Diese direktere Methode basiert auf sehr wenigen Annahmen und ist ideal für den Vergleich der Mutationsraten zwischen verschiedenen Arten, wie Walen und Menschen.

Besonders bei Wildarten besteht die Herausforderung darin, Gewebeproben sowohl von den Eltern als auch von deren Nachkommen zu gewinnen. Erstautor Marcos Suárez-Menéndez erklärt: „Die Methode wurde nur bei einer Handvoll wild lebender Tiere angewendet, beispielsweise bei einem einzelnen Wolfspaar und seinen Jungen. Sie wurde auch zur Schätzung der Mutationsraten bei Zootieren verwendet. Es ist jedoch ungewiss, ob dies die Mutationsraten in der Wildnis widerspiegelt, wo die Bedingungen sehr unterschiedlich sind.“

Das Team, bestehend aus Wissenschaftlern aus den Niederlanden, den USA, Grönland, Dänemark, Kanada und dem Vereinigten Königreich, konnte jedoch Hautbiopsieproben verwenden, die im Rahmen einer seit mehr als 30 Jahren laufenden Zusammenarbeit von Walen gesammelt wurden.

Armbrust

Palsbøll sammelte 1988 seine ersten Walbiopsien zwischen Eisbergen in den Gewässern vor Westgrönland.

„Dazu mussten wir ganz nah an einen Wal heransegeln und dann mit einer Armbrust einen Pfeil mit Hohlspitze abfeuern“, sagt er. Der Pfeil stanzt eine Probe aus und prallt zurück ins Wasser, wo sie gesammelt wird.

Das Auffinden beider Elternteile eines Walkalbes ist der erste Schritt zur Messung der Mutationsrate mithilfe der Stammbaummethode. Hier kommen groß angelegte DNA-Analysen ins Spiel. Suárez-Menéndez analysierte Daten, die von der anderen Erstautorin, Martine Bérubé, aus Mikrosatellitenmarkern in der DNA generiert wurden. Diese DNA wurde aus einem großen Archiv von Walbiopsieproben extrahiert und zur Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks von Individuen verwendet.

„Ich habe die Mikrosatellitendaten gesichtet, um Individuen zu finden, die als Mutter und Kalb verwandt sind. Als nächstes habe ich in der Datenbank nach möglichen Vätern gesucht“, sagt Suárez-Menéndez.

Auf diese Weise gelang es ihm, 212 mutmaßliche Eltern- und Nachkommentrios bei vier verschiedenen Walarten zu identifizieren. Die DNA von acht Trios wurde dann zur Genomsequenzierung geschickt. Nach einer abschließenden Vaterschaftsprüfung schätzten Suárez-Menéndez und seine Kollegen die Anzahl neuer Mutationen im Kalb und die durchschnittliche Mutationsrate bei Walen.

Industrieller Walfang

Die Ergebnisse zeigten, dass die Mutationsraten bei Walen denen in Stammbäumen kleinerer Säugetiere wie Menschen, Affen und Delfinen ähneln. Im Gegensatz dazu lagen frühere Schätzungen bei Walen mithilfe der phylogenetischen Methode im Vergleich zu diesen kleineren Säugetieren viel niedriger.

Suárez-Menéndez bemerkt: „Und genau wie beim Menschen gehen die meisten neuen Mutationen vom Vater aus. Wale sind uns in dieser Hinsicht also sehr ähnlich.“

Das Team verwendete auch eine etwas andere Methode des mütterlichen Stammbaums, um die Mutationsraten in der DNA der Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, abzuschätzen. Bisher wurde diese Methode nur bei Pinguinen angewendet. Mitochondrien und ihre DNA werden über die mütterliche Linie weitergegeben, und Suárez-Menéndez nutzte vier Jahrzehnte Sichtungsdaten von Buckelkuh- und Kalbpaaren im Golf von Maine unter der Leitung des leitenden Autors Jooke Robbins am Center for Coastal Studies.

„Unsere Studie ergab, dass die Mutationsrate in der mitochondrialen DNA von Walen ebenfalls viel höher ist als frühere Schätzungen, die auf der phylogenetischen Methode basieren“, erklärt Suárez-Menéndez.

Aus den neu ermittelten höheren Mutationsraten konnte auf die Zahl der Wale im Nordatlantik vor dem industriellen Walfang geschlossen werden. Das Ergebnis war 86 % niedriger als frühere Schätzungen, die auf phylogenetischen Mutationsraten basierten.

„Unsere neuen Mutationsraten deuten darauf hin, dass vor dem kommerziellen Walfang etwa 20.000 Buckelwale im Nordatlantik lebten, im Gegensatz zur vorherigen Schätzung von 150.000“, sagt Palsbøll. Dies sind wichtige Informationen, nicht nur für den Schutz der Wale, sondern auch für unser Verständnis des Zustands der Ozeane vor dem Walfang.

Palsbøll fügt hinzu: „Eine weitere Schlussfolgerung mit weitreichenden Konsequenzen ist, dass unsere Studie zeigt, dass es durchaus möglich ist, die Mutationsrate bei Wildtieren abzuschätzen.“

Krebs

Die menschenähnlichen Mutationsraten bei Walen führten die Autoren auch dazu, eine mögliche Ursache für Petos Paradoxon abzulehnen. Dies ist die Beobachtung, dass auf Artenebene die Häufigkeit von Krebserkrankungen offenbar nicht mit der Anzahl der Zellen in einem Organismus zu korrelieren scheint. Wale haben hundert- bis tausendmal mehr Zellen als beispielsweise Menschen. Wenn sie also die gleiche Krebsrate wie Menschen haben, sollten sie sehr früh im Leben an Krebs erkranken.

Es wurden mehrere Mechanismen vorgeschlagen, um diese großen Meeressäugetiere vor Krebs zu schützen. Eine davon ist eine langsamere Mutationsrate, da Wale eine viel niedrigere Stoffwechselrate haben. Die Entdeckung, dass dies nicht der Fall ist, impliziert, dass bei Walen wahrscheinlich andere Mechanismen eine Rolle spielen, beispielsweise eine Erhöhung der Kopienzahl des p53-Gens, das vor Krebs schützt.

Da sich die Studie schließlich auf eine große Anzahl von Gewebeproben stützte, die über mehrere Jahrzehnte gesammelt wurden, unterstreicht das Papier schließlich die Bedeutung langfristiger ökologischer Forschungsprojekte.

Palsbøll bemerkt: „Es ist schwierig, nachhaltige Mittel für diese Art von langfristigen ökologischen Studien zu erhalten. Allerdings hätten wir diese Forschung nicht ohne das nachhaltige Engagement und die Hingabe der vielen Kollegen durchführen können, die alle Sichtungen aufgezeichnet haben.“ sammelte die Proben, auf die sich unsere Studie stützte.“