Genetische Mechanismen der Korallenmetamorphose identifiziert

Forscher haben die Regulationsmechanismen der Genexpression identifiziert, die die Metamorphose von Korallen von Larven, die frei im Ozean schwimmen, zu sesshaften erwachsenen Riffbauern vorantreiben.

Eine Studie, die die Ergebnisse der Forscher beschreibt, erschien in der Zeitschrift Zoologische Briefe am 25. Januar 2022.

Der Moment, in dem sich Korallen von frei schwimmenden (planktonischen) Larven zu sesshaften Polypen verwandeln, ist vielleicht das bedeutsame Ereignis im Leben dieses Tieres, das eine radikale und abrupte Veränderung sowohl der Körperstruktur als auch des Verhaltens bewirkt. Wenn Larven auf bestimmte Hinweise oder Reize von einer darunter liegenden Oberfläche (Substrat) stoßen, hören sie auf zu schwimmen und ruhen an einem Ende auf dem Substrat und nehmen eine runde Form an. Im Fall von Acropora stammen diese Hinweise von einer Ansammlung (Biofilm) von Algen. Erhalten die Larven von diesem Substrat genügend Reize, gehen sie den nächsten Schritt und durchlaufen eine radikale und irreversible Zelldifferenzierung, einschließlich einer stabilen Anheftung an das Substrat.

Die molekularen Prozesse auf genetischer und zellulärer Ebene dieser Metamorphose waren jedoch lange Zeit ein Rätsel.

Anderen Forschern ist es in der Vergangenheit gelungen, einen kritischen Zeitraum zu identifizieren, in dem die Zellen der Korallengattung Acropora (zu deren mehr als 150 Arten einige der wichtigsten Arten gehören, die für den Bau von Riffen verantwortlich sind) für diese Transformation eingesetzt werden. Von diesem Zeitpunkt an können diese Korallen nicht mehr in ihren Zustand vor der Metamorphose zurückkehren – was Korallenforscher einen „Punkt ohne Wiederkehr“ nennen. Aber was genau während des Point of no Return auf einer tieferen Ebene passiert, ist bisher unbekannt geblieben.

Um dies weiter zu untersuchen, analysierten die Autoren der Studie die Veränderungen im Transkriptom – dem vollständigen Satz von Boten-RNA (mRNA)-Molekülen, die von einem Organismus oder einer Zelle produziert (exprimiert) werden – vor und nach dem Point of no Return in einer Acropora-Art. Boten-RNA-Moleküle spielen die Schlüsselrolle beim Kopieren („Transkriptieren“) des genetischen „Rezepts“, das in der DNA kodiert ist, um es herzustellen und zu den Proteinfabriken in der Zelle zu bringen, die als Ribosomen bekannt sind. Die Analyse des Transkriptoms der Koralle in den Momenten vor und nach der Metamorphose sollte den Wissenschaftlern also Aufschluss darüber geben, was der Unterschied zwischen den genetischen Rezepten ist, die in diesem Zeitraum aktiviert werden („Genexpression“).

Die Forscher sammelten Proben von Kolonien der Art Acropora tenuis von der Insel Sesoko in der japanischen Präfektur Okinawa. Die Korallen wurden dann in Tankbedingungen gehalten, die ihrer natürlichen Umgebung angenähert waren. Die Metamorphose wurde durch die Anwendung eines Neuropeptids induziert, von dem bekannt ist, dass es diesen Prozess auslöst, und weitere Proben, die für die RNA-Extraktion bestimmt waren, wurden zu mehreren verschiedenen Zeiten vor und nach dem Punkt ohne Wiederkehr entnommen.

Die RNA wurde dann sequenziert und ermöglichte eine Analyse der Genexpressionsänderungen mit einer feinen Zeitauflösung, die eine Reihe von molekularen Mechanismen zeigte, die wahrscheinlich an der Irreversibilität der Metamorphose beteiligt sind.

Die Forscher fanden heraus, dass Veränderungen in der Signalwahrnehmung durch eine Veränderung in der Expression einer Gruppe von Genen auftreten, die G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), insbesondere die GABA-Rezeptorproteine ​​und „Frizzled“-Proteine, im frühen Stadium der Metamorphose regulieren. sowie solche, die den Abbau bestimmter Proteine ​​antreiben.

GPCRs sind eine der größten Gruppen von Rezeptoren auf der Oberfläche von Zellen und fungieren als eine Art Briefkasten, der Nachrichten von Proteinen, Zuckern, Fetten und anderen Einheiten empfängt. Diese Nachrichten teilen der Zelle etwas über ihre Umgebung mit oder geben Informationen von anderen Zellen weiter und aktivieren andere Botenmoleküle innerhalb der Zelle, die eine Art Reaktion steuern. Frizzled-Rezeptoren spielen eine Schlüsselrolle bei der Embryonalentwicklung, während GABA-Rezeptoren auf den Neurotransmitter GABA reagieren, eine Verbindung, die bestimmte Aktivitäten hemmt und Zellen dazu veranlasst, sich zu differenzieren (unterschiedliche Formen anzunehmen).

In diesem Fall umfasst die rezeptorvermittelte zelluläre Antwort auf Reize die Zelldifferenzierung und den Abbau bestimmter Proteine, die in Kombination zu drastischen Veränderungen führen, die den Metamorphoseprozess irreversibel machen.

Die Forscher schlagen auch vor, dass die GABA-Rezeptoren eine Rolle bei der Suche der Larven nach einem geeigneten Substrat vor der Metamorphose spielen könnten, um eine angemessene Umgebung für die erwachsene Form zu gewährleisten. Diese Fähigkeit geht mit fortschreitender Metamorphose verloren, da eine solche Suche nicht mehr erforderlich ist.

„Ein faszinierender unerwarteter Befund war die Genexpression von grün fluoreszierenden Proteinen nach dem Point of no Return“, sagte Shinichiro Maruyama, Evolutionsbiologe an der Tohoku University Graduate School of Life Sciences und Mitautor der Studie, „was darauf hindeutet, dass es eine Art von gibt physiologische und ökologische Schlüsselrolle der Fluoreszenz in frühen Entwicklungsstadien, die völlig zu wenig erforscht ist, zum Beispiel die Untersuchung der Anziehungskraft von symbiotischen Algen.

Nachdem sie die Kandidaten für Gene identifiziert haben, die an der Metamorphose beteiligt sind, wollen die Wissenschaftler sehen, ob die Modifikation derselben Gene den Point of no Return verändern kann. Darüber hinaus betonen sie, dass ihre Ergebnisse auf Korallen in einer kontrollierten Laborumgebung beschränkt sind, und wollen untersuchen, wie sich die Dinge in einer realen Umgebung ändern.