Zusammensetzung des Genoms der gemeinsamen Vorfahren aller Säugetiere enthüllt
Chromosomen blieben über 300 Millionen Jahre stabil
Ein internationales Team hat die Genom-Zusammensetzung des frühesten gemeinsamen Vorfahren aller Säugetiere rekonstruiert. Das rekonstruierte Vorfahren-Genom kann zum Verständnis der Evolution der Säugetiere und zum Erhalt der heutigen Wildtiere beitragen. Der früheste Vorfahre der Säugetiere sah wahrscheinlich aus wie das fossile Tier „Morganucodon“, das vor etwa 200 Millionen Jahren lebte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.
Symbolbild
Computer generated picture
Alle heutigen Säugetiere, vom Schnabeltier bis zum Blauwal, stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab, der vor etwa 180 Millionen Jahren lebte. Man weiß nicht viel über dieses Tier, aber der Aufbau seines Genoms wurde jetzt von einem internationalen Team von Wissenschaftler:innen computergestützt rekonstruiert.
„Unsere Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Evolution von Säugetieren und auf die Naturschutzbemühungen", sagt Harris Lewin, Professor für Evolution und Ökologie an der University of California, Davis, und Hauptautor der Studie.
Das Wissenschaftsteam stützte sich auf hochwertige Genomsequenzen von 32 lebenden Arten, die 23 der 26 bekannten Säugetierordnungen repräsentieren. Darunter waren Menschen und Schimpansen, Wombats und Kaninchen, Seekühe, Hausrinder, Nashörner, Fledermäuse und Schuppentiere. In die Analyse wurden auch die Genome von Hühnern und chinesischen Alligatoren als Vergleichsgruppen einbezogen. Einige dieser Genome werden im Rahmen des Earth BioGenome Projects und anderer groß angelegter Biodiversitätsgenom-Sequenzierungsprojekte erstellt. Lewin ist Vorsitzender der Arbeitsgruppe für das Earth BioGenome Project.
„Die Rekonstruktion zeigt, dass der Vorfahre der Säugetiere 19 autosomale Chromosomen hatte, die die Vererbung der Merkmale eines Organismus außerhalb der von den geschlechtsgebundenen Chromosomen beeinflusst (diese sind in den meisten Zellen gepaart, was insgesamt 38 ergibt), plus zwei Geschlechtschromosomen“, sagt Joana Damas, Erstautorin der Studie und Postdoktorandin am UC Davis Genome Center. Das Team identifizierte 1.215 Genblöcke, die in allen 32 Genomen immer in der gleichen Reihenfolge auf demselben Chromosom vorkommen. Diese Bausteine aller Säugetiergenome enthalten Gene, die für die Entwicklung eines normalen Embryos entscheidend sind.
Chromosomen blieben über 300 Millionen Jahre stabil
Die Wissenschaftler:innen rekonstruierten bei dem Vorfahren der Säugetiere neun ganze Chromosomen oder Chromosomenfragmente, deren Reihenfolge der Gene die gleiche ist wie bei den Chromosomen der heutigen Vögel. „Dieser bemerkenswerte Befund zeigt die evolutionäre Stabilität der Anordnung und Ausrichtung der Gene auf den Chromosomen über einen ausgedehnten evolutionären Zeitrahmen von mehr als 320 Millionen Jahren", sagt Lewin. Im Gegensatz dazu enthielten die Regionen zwischen den konservierten Genblöcken mehrere sich wiederholende Sequenzen und diese Regionen waren anfälliger für Brüche, Umlagerungen und Sequenzverdoppelungen. Das sind wichtige Triebkräfte der Genomevolution.
„Die Rekonstruktion des Genoms der Vorfahren ist von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wo und warum der Selektionsdruck in verschiedenen Genomen variiert. Diese Studie stellt eine klare Beziehung zwischen Chromatinarchitektur, Genregulation und Bindungserhaltung her", sagt Professor William Murphy von der Texas A&M University, der nicht zu den Autoren der Studie gehört. „Dies bildet die Grundlage für die Bewertung der Rolle der natürlichen Selektion bei der Chromosomenevolution im gesamten Lebensbaum der Säugetiere."
Das Wissenschaftsteam war in der Lage, die Chromosomen der Vorfahren von einem gemeinsamen Vorfahren aus zeitlich zu verfolgen. Sie fanden heraus, dass die Geschwindigkeit der Chromosomenumlagerung bei den verschiedenen Säugetierlinien unterschiedlich war. Bei den Wiederkäuern, die zu den heutigen Rindern, Schafen und Hirschen führten, beispielsweise, beschleunigte sich die Umlagerung vor 66 Millionen Jahren, als ein Asteroideneinschlag die Dinosaurier auslöschte und zur Entstehung der Säugetiere führte.
„Die Ergebnisse werden zum Verständnis der genetischen Anpassungen beitragen, die es den Säugetieren ermöglicht haben, in den letzten 180 Millionen Jahren auf einem sich verändernden Planeten zu gedeihen“, erklärt die Koautorin Camila Mazzoni, Leiterin der Forschungsgruppe Evolutions- und Naturschutzgenomik am Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) und Leiterin “Evolutions- und Naturschutzgenetik” am Berlin Center for Genomics in Biodiversity Research (BeGenDiv).
Originalveröffentlichung
Damas J, Corbo M, Kim J, Turner-Maier J, Farré M, Larkin DM, Ryder OA, Steiner C, Houck ML, Hall S, Shiue L, Thomas S, Swale T, Daly M, Korlach J, Uliano-Silva M, Mazzoni CJ, Birren BW, Genereux DP, Johnson J, Lindblad-Toh K, Karlsson EK, Nweeia MT, Johnson RN, Zoonomia Consortium, Lewin HA (2022): Evolution of the ancestral mammalian karyotype and syntenic regions. PNAS 119, e2209139119
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