Wissenschaftler der Arkansas Tech University und der University of Arkansas haben eine hochwertige Genomzusammenstellung für einen Skorpion erstellt. Das Genom könnte zur Entwicklung neuer medizinisch relevanter Schmerzbehandlungen führen. Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal G3: Gene, Genome, Genetik.
Tsunemi Yamashita, Biologieprofessor an der Arkansas Tech University, arbeitete mit den Studenten und Forschern der University of Arkansas, Douglas Rhoads, Jeff Pummill und Suresh Thallapuranam, zusammen, um sein Projekt über in Arkansas weit verbreitete Skorpione auszuweiten.
Neben der Entdeckung einer neuen Mykoplasmenart, die Skorpione befällt, zeigte die Arbeit, dass die Gene für die Toxine nicht nur im Telson (wo sich der Stachel befindet), sondern auch in weitaus geringeren Mengen im Rest des Körpers aktiviert werden.
Darüber hinaus sind die Toxin-Gene in Clustern angeordnet, die eine Genduplikation und -diversifizierung aufweisen, die die Entwicklung neuer Toxin-Proteine vorantreibt. Toxine, die von Skorpionen, Spinnen und Schlangen produziert werden, sind Mischungen aus mehreren verschiedenen Toxin-Proteinen mit unterschiedlichen biologischen Aktivitäten für Beute oder Abwehrkräfte.
Dies ist die fünfte Veröffentlichung aus dieser Zusammenarbeit, die 2003 begann. Die erste Veröffentlichung befasste sich mit der molekularen Biogeographie dieser Skorpionart. Es folgten Veröffentlichungen über ein Mykoplasma, das diese Skorpione befällt, das mitochondriale Genom des Skorpions, eine Proteomanalyse der vom Skorpion produzierten Toxine und nun die Veröffentlichung des annotierten Genoms für C. vittatus.
„Der Gestreifte Baumrindenskorpion, Centruroides vittatus, ist von Interesse, da er der einzige Skorpion ist, der im Mittleren Westen der USA vorkommt, und zwar in Arkansas, Missouri, Illinois und Louisiana. Möglicherweise haben sich durch den Menschen verschleppte Populationen auch außerhalb ihres bekannten geografischen Verbreitungsgebiets jenseits des Mississippi in Gegenden wie Middle Tennessee angesiedelt“, sagte Yamashita.
„Als solches weist er eine interessante Evolutionsgeschichte der Verbreitung auf. Außerdem ist er eine Art aus der medizinisch wichtigen Familie der Buthid-Skorpione, die aufgrund ihrer Giftbestandteile weltweit Todesfälle und toxische Wirkungen beim Menschen verursachen. Der Gestreifte Baumrindenskorpion scheint jedoch keine so ausgeprägten medizinischen Auswirkungen auf den Menschen zu haben wie andere Arten der Gattung Centruroides, weshalb sein Gift für medizinische Analysen von Interesse ist.“
„Das von uns produzierte Skorpiongenom ist eines der besten aus einer Gruppe von Organismen, die weniger Aufmerksamkeit erhält, aber Proteine produziert, die für Schmerz und Schmerzlinderung eine biomedizinische Bedeutung haben“, sagte Rhoads.
Yamashita arbeitet mit Thallapuranam zusammen, um einzelne Toxinproteine durch deren Expression in Bakterien herzustellen und die individuellen Aktivitäten der verschiedenen Toxinproteine zu untersuchen.
Yamashita begann seine Skorpionforschung als Doktorand an der Vanderbilt University unter der Leitung von Gary Polis, einem bekannten Skorpionökologen. An der Vanderbilt University studierte Yamashita die Populationsgenetik des Sandskorpions, der die Sanddünen und Sandregionen der Sonora-Wüste bewohnt. Er setzte seine Skorpionforschung mit Untersuchungen des Gestreiften Baumrindenskorpions Centruroides vittatus fort.
Der Schwerpunkt dieser Forschungstätigkeit liegt derzeit auf den Giftbestandteilen des Streifenskorpions durch proteomische, transkriptomische und genomische Untersuchungen.
Die Proben wurden von Yamashita in Arkansas gesammelt. Die DNA- und RNA-Extraktion wurde an der U of A von Yamashita und Rhoads durchgeführt. Die Sequenzierung wurde in Einrichtungen der Michigan State University, der Mississippi State University und der King Abdullah University of Science and Technology durchgeführt.
Den Großteil der Computerarbeit erledigte Pummill, der mithilfe der Ressourcen des Arkansas High Performance Computing Center das Genom und das Transkriptom zusammenstellte. Zusätzliche Genomannotationen wurden von Mitarbeitern mithilfe von Computern der Jackson Laboratories in Bar Harbor, Maine, durchgeführt. Yamashita und Rhoads führten dann Analysen von Giftgenen und deren Expressionsmustern in Skorpiongewebe durch.
Rhoads und Pummill arbeiten derzeit mit Steven Beaupre von der Universität von Arkansas und Ryan Stork von der Harding University an weiteren Genomen der Braunen Einsiedlerspinne bzw. der Wolfsspinne. Ein Vergleich der Genome von Spinne und Skorpion wird Wissenschaftlern helfen, die Muster der Evolution von Toxin-Genen besser zu verstehen.
Weitere Informationen:
Tsunemi Yamashita et al., Eine robuste Genomassemblierung mit Transkriptomdaten des Gestreiften Baumrindenskorpions, Centruroides vittatus, G3: Gene, Genome, Genetik (2024). DOI: 10.1093/g3journal/jkae120