Leben bei minus 1,9 Grad: Wie das Erbgut eines Antarktisfischs der Kälte trotzt

Im Südpolarmeer ist das Wasser bis zu minus 1,9 Grad kalt. Für die meisten Lebewesen wäre das ein Problem: Kälte kann Eiweiße lahmlegen, und der hohe Sauerstoffgehalt des Wassers setzt den Zellen zusätzlich zu. Trotzdem leben dort rund 140 Fischarten, die eigene Strategien gegen die Kälte entwickelt haben. Wie sie das schaffen, hat ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Senckenberg Forschungsinstituts und Naturmuseums in Frankfurt nun genauer entschlüsselt.

Ein kleiner Fisch als Modell Im Mittelpunkt steht der Antarktisraubfisch, wissenschaftlich Harpagifer antarcticus. Der kleine Fisch hat keine Schuppen und lebt im flachen Wasser über steinigem Grund. Wie viele seiner Verwandten besitzt er Frostschutzproteine, die verhindern, dass in seinem Körper Eiskristalle wachsen.

Diese Proteine sind seit Langem als wichtige Anpassung der Antarktisfische bekannt. Die neue Studie, erschienen in der Fachzeitschrift Genome Biology, zeigt: Sie sind nur ein Teil der Antwort.

Mutter- und Vaterseite getrennt gelesen Jedes Tier trägt zwei Ausgaben seines Erbguts in sich, eine von der Mutter, eine vom Vater. Bei üblichen Verfahren werden beide oft zu einer einzigen Fassung vermischt. Das Team, zu dem Letztautorin Dr. Iliana Bista von Senckenberg gehört, hat die beiden Ausgaben, die sogenannten Haplotypen, nun erstmals für diese Art getrennt zusammengesetzt. Unterschiede zwischen ihnen könnten bei herkömmlichen Verfahren verborgen bleiben, erklärt die Senckenberg-Forscherin.

Das Ergebnis: Beide Fassungen ähneln sich insgesamt stark, jede umfasst 24 Chromosomen. Unterschiede zeigen sich aber bei sich wiederholenden DNA-Abschnitten und bei den Genen für die Frostschutzproteine. Auf der einen Seite fand das Team 17 Kopien dieser Gene, auf der anderen 16 – wobei die fehlende Kopie auch eine Lücke in der Rekonstruktion sein könnte. Auch die Länge der Gene unterscheidet sich. Das ist interessant, weil größere Frostschutzproteine das Wachstum von Eiskristallen womöglich besonders gut bremsen können.

Springende Gene und ein ganzer Werkzeugkasten Rund 43 Prozent des Erbguts bestehen aus sich wiederholenden Abschnitten. Besonders häufig sind sogenannte springende Gene, genauer LINE-L2-Transposons. Diese DNA-Stücke können sich im Erbgut vervielfältigen und an neuen Stellen einfügen. Im Lauf der Evolution haben sie sich zeitweise stark vermehrt und könnten so zur Entstehung neuer genetischer Varianten beigetragen haben.

Für den Blick auf die gesamte Fischgruppe verglichen die Forschenden das Erbgut mit dem von elf verwandten Arten. Dabei stießen sie auf Gene, die bereits beim gemeinsamen Vorfahren der Antarktisfische unter starkem Anpassungsdruck standen. Sie haben mit dem Schutz vor schädlichen Oxidationsprozessen zu tun, mit dem Fettstoffwechsel und damit, dass Eiweiße richtig gefaltet und abgebaut werden. Genau das sind die Baustellen, die eisiges, sauerstoffreiches Wasser mit sich bringt.

Viele Anpassungen statt einer Wunderwaffe Das Fazit der Forschenden: Das Leben in der Eiseskälte beruht nicht auf einem einzelnen Trick, sondern auf dem Zusammenspiel mehrerer genetischer und evolutionärer Prozesse. Einige Fragen bleiben allerdings offen. Ob die unterschiedlich langen Frostschutz-Gene dem Fisch tatsächlich einen Überlebensvorteil verschaffen, wurde nicht im Experiment geprüft. Und dass die Abkühlung des Ozeans die springenden Gene angetrieben hat, ist bisher ein zeitlicher Zusammenhang, kein Beweis.

An der Studie beteiligt waren neben Senckenberg der British Antarctic Survey, das Wellcome Sanger Institute, die University of Cambridge und die University of Colorado. Ihr Erbgut-Bauplan des Antarktisraubfischs ist nun eine Grundlage, um besser zu verstehen, wie sich Leben an das eiskalte Südpolarmeer angepasst hat.