Nur etwa 10 % der weltweit etwa 4.000 Schlangenarten besitzen ein Gift, das stark genug ist, um einen Menschen ernsthaft zu verletzen. Das reicht jedoch aus, um Schlangenbisse zu einem wichtigen Gesundheitsproblem zu machen. Um besser zu verstehen, wie Schlangen ihr Gift produzieren und wie sich Gifte von Art zu Art unterscheiden, haben Forscher eine neue Methode entwickelt, um die Gene zu untersuchen, die Schlangen zur Giftproduktion verwenden. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Ressourcen zur Molekularökologie.
„Wir haben ein Werkzeug entwickelt, das uns auf einen Schlag verraten kann, welche giftproduzierenden Gene in einer ganzen Schlangenfamilie vorhanden sind“, sagt Sara Ruane, stellvertretende Kuratorin für Herpetologie im Negaunee Integrative Research Center des Field Museum und Hauptautorin der Studie.
Alle Lebewesen enthalten DNA, ein Molekül, das chemische Anweisungen für den Aufbau und die Funktion des Körpers eines Organismus enthält. Diese Anweisungen werden Genom genannt, und kleinere Abschnitte des Genoms heißen Gene. Das menschliche Genom beispielsweise besteht aus etwa 20.000 Genen, die Anweisungen für alles vom Zellwachstum bis zur Augenfarbe enthalten.
Bei Schlangen sind Tausende von Genen an der Produktion des Giftes beteiligt, und verschiedene Giftschlangenarten verwenden unterschiedliche Kombinationen und Versionen dieser Gene zur Produktion ihres Toxins.
„Es ist wichtig zu wissen, was im Schlangengift enthalten ist, denn verschiedene Giftarten haben unterschiedliche Auswirkungen – manche wirken sich auf das Nervensystem aus, andere auf den Kreislauf, andere auf die Zellfunktion“, sagt Ruane. „Zu wissen, was in einer bestimmten Giftart enthalten ist, kann bei der Entwicklung eines Gegengifts zur Behandlung dieser Art von Schlangenbissen helfen.“
Darüber hinaus gibt es in Schlangengiften Verbindungen, die tatsächlich in der Arzneimittelentwicklung und in der Humanmedizin verwendet werden. So wurde beispielsweise der erste ACE-Hemmer zur Behandlung von Bluthochdruck aus einer Verbindung hergestellt, die im Gift der brasilianischen Grubenotter vorkommt.
„Man kann die Macht des Todes kontrolliert nutzen“, sagt Ruane.
Da es Tausende von Genen gibt, die Gift produzieren, und das Genom jeder Schlange Zehntausende von Genen enthält, kann es schwierig sein, diejenigen zu bestimmen, die für die Giftproduktion einer bestimmten Art verantwortlich sind. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Ruane und ihre Kollegen unter der Leitung des Erstautors der Studie, Scott Travers, eine Technik namens VenomCap.
VenomCap ist eine Reihe von Exon-Capturing-Sonden, also Gruppen von Molekülen, die mit einer bestimmten Gruppe von Genen interagieren. VenomCap wurde so konzipiert, dass es sich an jedes der mehreren Tausend Gene bindet, die, wie frühere Studien gezeigt haben, an der Giftproduktion bei Schlangen beteiligt sind.
Anstatt das gesamte Genom einer Schlange sequenzieren zu müssen (ein langwieriger und teurer Prozess) und es nach über 2.000 möglichen Genen zur Giftbildung zu durchsuchen, könnte VenomCap den Wissenschaftlern eine schnellere und einfachere Möglichkeit bieten, herauszufinden, welche dieser Gene eine Schlange besitzt.
Um die Fähigkeit von VenomCap zu testen, sich an giftproduzierende Gene zu binden, entnahmen die Forscher Gewebeproben von 24 Schlangenarten aus der medizinisch bedeutsamen Familie der Elapidae, zu der Kobras, Mambas und Korallenschlangen zählen.
Frühere Genomstudien haben bereits viele der giftproduzierenden Gene dieser Schlangen nachgewiesen, und VenomCap konnte diese Ergebnisse im Durchschnitt mit einer Genauigkeit von 76 % bestätigen. VenomCap kann mit zuvor entnommenem Gewebe aus beliebigen Körperteilen einer Schlange verwendet werden, anstatt direkt aus den Giftdrüsen zu stammen, was eine weitere häufig verwendete Technik zur Bestimmung von Giftgenen bei Schlangen ist.
Da sich mit VenomCap die Giftgene einzelner Arten der gesamten Familie der Giftschlangen (ca. 400 Arten) analysieren lassen, können Wissenschaftler damit die Zusammenhänge zwischen der Lebensweise dieser Schlangen und den von ihnen produzierten Giften leichter untersuchen.
„Nehmen wir an, Sie interessieren sich für einige eng verwandte Schlangenarten, die unterschiedlich aussehen, in unterschiedlichen Umgebungen leben und unterschiedliche Dinge fressen. VenomCap könnte Wissenschaftlern dabei helfen, die Gifte dieser Schlangen zu vergleichen. Das könnte helfen, übergeordnete Fragen zu beantworten, etwa, ob sich Gifte so entwickeln, dass sie zum Lebensstil der Schlangen passen, oder ob sich ihr Lebensstil so entwickelt, dass er zum Gift passt, das sie produzieren“, sagt Ruane.
Ein Tool wie VenomCap könnte nicht nur Licht auf die Evolution der Schlangen werfen, sondern auch für Wissenschaftler von Nutzen sein, die gefährliche Schlangenbisse behandeln wollen.
„Schlangenbisse gelten weltweit als vernachlässigte Krankheit. In den Vereinigten Staaten kommen wir nicht so oft mit Giftschlangen in Kontakt, und wenn doch, verfügen wir über eine äußerst gute medizinische Versorgung – wenn Sie mit einem Schlangenbiss umgehend ins Krankenhaus gehen, werden Sie mit ziemlicher Sicherheit nicht sterben“, sagt Ruane.
„In anderen Teilen der Welt ist ein Krankenhaus jedoch möglicherweise zu weit entfernt, um rechtzeitig vor Ort zu sein, oder es ist möglicherweise nicht das richtige Gegengift vorhanden, da Gegengifte sehr knapp sind. Daher kann jede Art von Arbeit, die sich mit Schlangengift befasst und uns hilft, die in verschiedenen Arten vorhandenen Gifte zu identifizieren, äußerst wichtig sein, um Basisdaten für die Entwicklung wirksamer Behandlungen zu liefern.“
Weitere Informationen:
VenomCap: Ein Exon-Capture-Sondenset für die gezielte Sequenzierung von Schlangengiftgenen, Ressourcen zur Molekularökologie (2024).