Genom auf Chromosomenebene entschlüsselt

Kraken sind faszinierende Tiere – und dienen als wichtige Modellorganismen in den Neurowissenschaften, der Kognitionsforschung und der Entwicklungsbiologie.

Um ein tieferes Verständnis ihrer Biologie und Evolutionsgeschichte zu erlangen, sind validierte Daten zur Zusammensetzung ihres Genoms erforderlich, die bisher fehlen. Wissenschaftler der Universität Wien konnten nun zusammen mit einem internationalen Forschungsteam diese Lücke schließen und in einer Studie beeindruckende Zahlen ermitteln: 2,8 Milliarden Basenpaare – organisiert in 30 Chromosomen.

Was so einfach klingt, ist das Ergebnis aufwendiger, computergestützter Genomanalysen und Vergleiche mit den Genomen anderer Kopffüßerarten. Die Studie wurde gerade in veröffentlicht G3: Gene / Genome / Genetik.

Kraken gehören zusammen mit Tintenfischen und Tintenfischen zu einer Gruppe von Coleoid-Kopffüßern, die aus mehreren Hundert Arten besteht, die sich durch sehr unterschiedliche Lebensstile, Körperstrukturen und Anpassungen an ihre Umwelt auszeichnen. Die Erforschung dieser Tiere blickt auf eine lange Tradition zurück, zumal die neuronale Plastizität des Oktopusgehirns – also die Fähigkeit des Gehirns, sich beim Lernen und Erleben neuer Dinge zu verändern und anzupassen – Hinweise auf die Existenz funktionell analoger Strukturen zum Gehirn liefert von Säugetieren.

Damit sind sie eine vergleichende Modellgruppe für neurophysiologische Studien. Auch ihre Fähigkeit, Teile ihres Körpers zu regenerieren, sowie die schnellen Veränderungen ihrer Körpermuster, die für Tarnung und Kommunikation wichtig sind, machen Kraken zu einem beliebten Forschungsobjekt für die Untersuchung, wie diese innovativen Merkmale entstanden sind – und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben Evolution.

Eine Lücke schließen

In der Forschungsgemeinschaft besteht ein wachsender Bedarf an detaillierten Kenntnissen über die Genome von Kopffüßern, um die Entwicklung ihrer einzigartigen Merkmale und ihrer Biologie zu verstehen. Ein wichtiger Beitrag zu diesem Ziel ist die Kodierung des Genoms des Kraken auf Chromosomenebene – eine Information, die bisher nicht verfügbar war.

Abhilfe schafft hier nun ein Forschungsteam der Universität Wien, das – gemeinsam mit Kollegen der KU Leuven (Belgien), dem Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG; Spanien) und der Stazione Zoologica Anton Dohrn (Italien) –“ „lieferte“ die fehlenden Daten und führte umfangreiche, molekularbiologische und computergestützte Untersuchungen des Oktopus-Genoms durch.

„Mit unseren aktuellen Technologien, die in der Genomforschung eingesetzt werden, konnten wir eine Art ‚Genomkarte‘ für den Oktopus erstellen, die zeigt, wie genetische Informationen auf Chromosomenebene angeordnet sind“, erklärt die Erstautorin der Studie, Dalila Destanović, Wissenschaftlerin am Simakov Labor am Institut für Neurowissenschaften und Entwicklungsbiologie der Universität Wien.

Dieses Referenzgenom, das auf Chromosomenebene hochaufgelöst ist, wird es der wissenschaftlichen Gemeinschaft ermöglichen, einerseits die Eigenschaften und die Biologie dieser faszinierenden Tiere besser zu verstehen und andererseits auch die Evolutionsgeschichte von Octopus vulgaris nachzuvollziehen. Forschungsteams können nun den Entwicklungsverlauf von Coleiid-Kopffüßern und entfernter verwandten Weichtieren wie Muscheln oder Schnecken weiter untersuchen oder verstehen.

2,8 Milliarden Basenpaare – 30 Chromosomen

Tatsächlich konnten die Forscher 30 Chromosomen im Genom von Octopus vulgaris identifizieren, in denen 99,34 % der 2,8 Milliarden Basenpaare angeordnet sind. Damit verfügen Wissenschaftler nun über eine qualitativ hochwertige Referenzsequenz, die als Grundlage für weitere Untersuchungen zur Funktion von Genen und damit für ein besseres Verständnis der biologischen Eigenschaften des Gemeinen Oktopus dienen wird.

Die chromosomale Struktur des Octopus vulgaris-Genoms wird auch Einblick in die dynamische Evolutionsgeschichte dieser Organismen geben, indem die Chromosomenumlagerungsraten geschätzt werden. Durch den Vergleich des Octopus vulgaris-Genoms mit den Genomen von vier anderen Krakenarten konnten die Forscher bereits zeigen, dass alle Chromosomen zahlreiche strukturelle Veränderungen aufweisen, die im Laufe der Evolution aufgetreten sind, indem Chromosomenstücke abgebrochen, neu angeordnet und am Ende wieder verbunden wurden gleiches Chromosom.

„Selbst bei eng verwandten Arten haben wir zahlreiche strukturelle Veränderungen der Chromosomen beobachtet. Dieser Befund wirft Fragen zur Genomdynamik im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte auf und eröffnet die Möglichkeit zu untersuchen, wie dies mit ihren einzigartigen Merkmalen zusammenhängt“, erklärt Dalila Destanović.

Die dynamische Evolutionsgeschichte des Oktopus-Genoms erstreckt sich über einen Zeitraum von 44 Millionen Jahren – und viele spannende Forschungsfragen sind noch offen. Die Ergebnisse der aktuellen Studie werden darauf hinauslaufen, einige dieser Fragen zu beantworten, indem sie die traditionelle Octopus vulgaris-Forschung in den Bereichen Neurobiologie, Verhalten und Entwicklung mit molekulargenetischen Erkenntnissen in diesen Bereichen verbinden.