Beuteltiere sind der Schlüssel zur Entdeckung des Ursprungs der Wärmeorgane bei Säugetieren

Vor etwa 100 Millionen Jahren ermöglichte eine bemerkenswerte evolutionäre Wende den Plazentatieren, sich zu diversifizieren und viele kalte Regionen unseres Planeten zu erobern. Neue Forschungsergebnisse der Universität Stockholm zeigen, dass das typische Heizorgan der Säugetiere, das braune Fett, sich ausschließlich bei modernen Plazentatieren entwickelt hat. Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Wissenschaft.

In Zusammenarbeit mit der Helmholtz-Gemeinschaft München und dem Naturhistorischen Museum Berlin in Deutschland sowie der University of East Anglia in Großbritannien konnte das Stockholmer Forschungsteam nachweisen, dass Beuteltiere, unsere entfernten Verwandten, über eine noch nicht vollständig entwickelte Form von braunem Fett verfügen.

Sie entdeckten, dass das zentrale wärmeproduzierende Protein UCP1 nach der Trennung von Plazenta- und Beuteltieren aktiv wurde. Diese Entdeckung ist entscheidend für das Verständnis der Rolle von braunem Fett in der Evolution, Endothermie und im Stoffwechsel von Säugetieren.

„Unsere Studie ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Entstehung und Regulation von braunem Fett“, sagt Susanne Keipert, Co-Erstautorin der Studie.

„Die energieverbrauchende Funktion von braunem Fett ist ein Hauptschwerpunkt der medizinischen Forschung aufgrund seines Potenzials zur Verbesserung von Fettleibigkeit, Diabetes und kardiometabolischen Erkrankungen; alle diese Erkrankungen haben pandemische Ausmaße angenommen und zählen zu den größten Bedrohungen für unser Gesundheitssystem.“

Diese Arbeit stellt den neuesten Meilenstein der Arbeit des Jastroch-Labors an der Universität Stockholm dar, das Pionierarbeit in der Forschung zur Evolution der Wärmeproduktion bei Säugetieren leistet und diese evolutionären Erkenntnisse in das Verständnis menschlicher Stoffwechselerkrankungen integriert.

Die neue Studie zeigt, dass das Beuteltier-Gen UCP1 im Fettgewebe junger Opossums während einer kritischen Entwicklungsphase aktiv transkribiert wird, wenn sie ihre Mutter zum ersten Mal verlassen und Kältestress ausgesetzt sind. Dies ähnelt der Geburt von Plazentatieren, bei der die meisten Babys braunes Fett zur Regulierung der Körpertemperatur benötigen.

Bei der UCP1-Transkription sind viele, aber nicht alle Gene, die üblicherweise in braunem Fettgewebe exprimiert werden, bei Beuteltieren vorhanden. Dies deutet darauf hin, dass Beuteltiere nicht das vollständig entwickelte braune Fettgewebe besitzen, das bei Plazentatieren vorkommt. Darüber hinaus erzeugt das Heizprotein UCP1 bei Beuteltieren keine Wärme, was darauf hindeutet, dass dieser Protoform von braunem Fettgewebe die thermogene Funktion fehlt. Die Funktion des Beuteltier-UCP1 muss jedoch noch entdeckt werden.

„Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die für die Thermogenese erforderlichen Gennetzwerke bereits vor der Trennung von Beuteltieren und Plazentatieren existierten. Das zentrale Protein UCP1 entwickelte seine Fähigkeit zur Wärmeproduktion jedoch erst nach der Trennung von den Beuteltieren“, erklärt Martin Jastroch.

Warum ist es wichtig, den Stammbaum der Säugetiere zu untersuchen, um den Ursprung des braunen Fettgewebes zu entschlüsseln?

„Um den Ursprung des braunen Fetts zu finden, können wir keine Zeitmaschine benutzen. Indem wir jedoch lebende Arten untersuchen, die sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Evolutionsgeschichte abgespalten haben, können wir feststellen, welche Arten braunes Fettgewebe haben und welche Komponenten der Wärme erzeugenden Maschinerie vorhanden sind. Beuteltiere haben sich vor etwa 120 bis 180 Millionen Jahren von den Plazentatieren abgespalten. Wenn Beuteltiere funktionsfähiges braunes Fett und sein thermogenes Protein hätten, würde dies darauf hindeuten, dass das Organ vor dieser Abspaltung existierte. Da dies nicht der Fall ist, hat es sich wahrscheinlich erst später entwickelt“, sagt Keipert.

Mithilfe bioinformatischer Werkzeuge auf der Grundlage von UCP1-Sequenzinformationen vieler Tiere rekonstruierten die Forscher das ursprüngliche UCP1 des Stammes der Plazentatiere, wie es vor etwa 110 Millionen Jahren existiert haben könnte.

Sie fanden heraus, dass dieses alte Protein Wärme erzeugen konnte, was darauf hindeutet, dass es bei den Vorfahren der Plazentatiere wärmeproduzierendes braunes Fett gab, aber nicht vorher. Diese Innovation ermöglichte es den Plazentatieren wahrscheinlich, in neuen kalten Umgebungen zu gedeihen.

Fakten zu braunem Fett

Braunes Fett ist ein einzigartiges Heizorgan bei Plazentatieren, das Wärme durch ein Protein namens Entkopplungsprotein 1 (UCP1) erzeugt. Das UCP1-Protein verwandelt Mitochondrien in kleine Heizeinheiten, die Fett und Zucker direkt in Wärme umwandeln.

Das braune Fett ermöglicht neugeborenen Plazentatieren, einschließlich menschlichen Säuglingen, Kältestress nach dem Verlassen der warmen Gebärmutter zu überleben. Es hilft, die Körpertemperatur in der Kälte aufrechtzuerhalten, da der unreife Muskel nicht ausreichend zittern kann.

Später im Leben kann das braune Fett vor Stoffwechselkomplikationen schützen, indem es überschüssiges Fett und Zucker verbrennt. Das Verständnis der Funktionsweise von braunem Fett ist entscheidend für die Entwicklung therapeutischer Interventionen bei Stoffwechselstörungen.