Die giftige Bedrohung der Skorpione für Säugetiere ist ein relativ neuer Evolutionsschritt

Trotz ihres Rufs als lebende Fossilien sind Skorpione evolutionär flink geblieben – insbesondere bei der Entwicklung von Gift, um den Aufstieg von Säugetier-Raubtieren abzuwehren. Eine neue genetische Analyse der Toxinproduktion von Skorpionen enthüllt jüngste Evolutionsschritte und könnte tatsächlich ein Segen für Forscher sein, die die Vorteile von Skorpiongift für die menschliche Gesundheit untersuchen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Biologen der University of Wisconsin-Madison hat den bisher größten Evolutionsbaum von Skorpionen zusammengestellt, der sieben unabhängige Fälle zeigt, in denen die charakteristischen achtbeinigen Kreaturen Giftverbindungen entwickelt haben, die für Säugetiere toxisch sind.

„Die letzten großen Veränderungen ihrer Körperform, ihrer Morphologie, geschahen vor etwa 430 Millionen Jahren, als sie das Wasser verließen und an Land gingen“, sagt Carlos Santibáñez-López, ehemaliger Postdoktorand an der UW-Madison und Hauptautor des neue Studie, die heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Systematische Biologie. „Aber wir wissen jetzt, dass sie sich in jüngerer Zeit auf sehr wichtige Weise entwickelt haben.“

Mit der Hilfe von Mitarbeitern auf der ganzen Welt sammelte Santibáñez-López Proben von 100 Skorpionarten und extrahierte aus ihren Giftdrüsen RNA-Proben, einen Streifen mit Anweisungen, die von der DNA transkribiert wurden, um den Zellen mitzuteilen, welche Proteine ​​​​(wie Gift) hergestellt werden sollen. Durch das Sammeln der RNA, kurz nachdem die Skorpione eine Insektenmahlzeit getötet hatten, konnte sich Santibáñez-López auf die Gene konzentrieren, die aktiv Toxine produzieren, während der Skorpion seinen Giftvorrat wieder auffüllte.

Beim Erstellen eines Stammbaums basierend auf den Unterschieden im Gift konnten die Forscher erkennen, dass sich die Skorpione vor etwa 300 Millionen Jahren in zwei große Familien aufgeteilt hatten – Buthidae und Iuridae, aus denen die 22 Familien moderner Skorpione hervorgingen –, dass diese Teilung lange dauerte bevor irgendein Skorpion Giftstoffe entwickelt hat, die auf Säugetiere abzielen. Und das aus gutem Grund: Es gab keine nennenswerten Säugetiere.

Vor etwa 70 Millionen Jahren, zu Beginn des Säugetierzeitalters, dem Känozoikum, entwickelten neue Tiere wie Spitzmäuse – und später Fledermäuse, Nagetiere, Mungos und Dachse – eine Vorliebe für Skorpione. Aber die Skorpione hatten ein paar Tricks in ihren gebogenen Schwänzen.

„Wir fanden heraus, dass die Abweichung dieser giftigen Skorpione von ihren Verwandten mit dem Aussehen der Säugetiere korreliert, die sie jagen“, sagt Santibáñez-López, jetzt Professor an der Western Connecticut State University. „Es deutet darauf hin, dass die Skorpione, als die Säugetiere auftauchten, die diese Skorpione fressen, damit begannen, diese Waffen zu entwickeln, um sich zu verteidigen.“

Es schadete nicht, dass das Gift, mit dem die Skorpione die von ihnen gefressenen Insekten außer Gefecht setzten, chemisch gesehen nicht so weit von Giften entfernt war, die bei ihren aufsteigenden Raubtieren wirken würden.

„Das Toolkit war da“, sagt Prashant Sharma, Co-Autor der Studie und UW-Madison-Professor für integrative Biologie. „Sie hatten einen verfügbaren Genpool, aus dem sie Toxine herstellten, die auf das Nervensystem von Insekten abzielen konnten.

Die Breite der neuen genomischen Daten ist so groß, dass die Forscher die Entwicklungsstadien verfolgen können, als Skorpione für Säugetiere gefährlicher wurden.

„Wir glauben, dass wir durch diesen großen Datensatz Beweise für diesen schrittweisen Erwerb von Verteidigungsmitteln gefunden haben“, sagt Sharma, deren Arbeit von der National Science Foundation unterstützt wird. „Sie reichen von Skorpionen, die ein insektenspezifisches Toxin haben, das zum Fangen von Beute verwendet wird, über etwas, das irgendwann sowohl für Insekten als auch für Säugetiere giftige Aspekte hatte, bis hin zu säugetierspezifischen Toxinen, die im Wesentlichen als Abschreckungsmittel verwendet werden; Raubtiere in Schach halten.“

Schon bevor dies geschah, hatten sich Skorpione auf weiten Teilen des Planeten in eine Vielzahl von Arten zerlegt. Aber laut der neuen Genomanalyse entwickelten sich säugetierspezifische Toxine unabhängig voneinander allein in fünf verschiedenen Zweigen der Buthidae-Familie.

Die Unterscheidungen sind stark genug, dass sie helfen können, einen Großteil der Skorpion-Taxonomie neu zu organisieren. Sie können auch dazu beitragen, die aufkeimende Forschung zu humanmedizinischen Anwendungen von Skorpiongiftverbindungen voranzutreiben.

Wissenschaftler haben Skorpion-Toxine mit pharmazeutischem Potenzial identifiziert, wie z. B. antimikrobielle, entzündungshemmende und Anti-Tumor-Eigenschaften. Skorpiongift, das von Tumorzellen angezogen wird, kann mit einem leuchtenden Protein gesattelt und als „Tumorfarbe“ verwendet werden, die Chirurgen bei der Entfernung krebsartiger Massen von Patienten anleitet.

Der Haken ist, dass die meisten Forscher sich darauf beschränken, nur ein paar Skorpionarten zu untersuchen, die für sie praktisch sind. Die neue Studie, die auf den Unterschieden in toxischen Verbindungen zwischen Skorpionarten basiert, könnte eine Welt der Giftchemie für die klinische Forschung eröffnen.

„Jetzt werden diese Labore diese laufende Bibliothek aller Gene haben, die in 100 verschiedenen Arten exprimiert werden, und sie können Organismen basierend auf dem untersuchen, was sie in ihren Giftdrüsen haben, anstatt nur, weil sie sich gerade draußen befinden “, sagt Sharma. „Wir hoffen, dass dies diese Art der translationalen Biologie und die Suche nach biomedizinischen Anwendungen beschleunigen wird.“