Zellkraftwerk ohne DNA Alge spart am Erbgut

Vor Urzeiten verleibten sich Einzeller andere Bakterien ein und hielten sie als „Kraftwerke“ fest. Dieser Endosymbiontentheorie zufolge haben alle Zellen heute nicht nur DNA im Zellkern gespeichert, sondern auch in den Mitochondrien – den Überbleibseln der einst einverleibten Bakterien. Doch nun haben Forscher des Alfred-Wegener-Instituts eine bisher einzigartige Ausnahme entdeckt: Eine parasitische Algenart scheint das Erbgut ihrer Mitochondrien wegrationalisiert zu haben.

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Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Bremerhaven – Sie sind erfolgreich, vielseitig und beinahe allgegenwärtig. Dinoflagellaten stellen einen großen Teil des Planktons in den Meeren und haben sich den verschiedensten Lebensstilen verschrieben. Etwa die Hälfte der rund zweitausend bekannten Arten betreibt Photosynthese wie die Pflanzen, andere leben räuberisch oder wechseln je nach Angebot zwischen verschiedenen Ernährungsformen.

Parasiten dämmen giftige Algenblüte ein

Obwohl sie winzig klein sind, sind Dinoflagellaten nicht immer harmlos. Der Gattung Alexandrium gehören beispielsweise etliche Arten an, die als marine Giftmischer berüchtigt sind und unter günstigen Wachstumsbedingungen dazu neigen, giftige Algenblüten zu bilden. Ganze Teppiche aus diesen Einzellern treiben mitunter im Wasser und produzieren das auch für Menschen gefährliche Nervengift Saxitoxin. Doch es gibt auch Parasiten unter den Dinoflagellaten, die solche Algenblüten eindämmen können. Zu diesen gehört eine Art namens Amoebophrya ceratii.

„Diese Einzeller schwimmen als so genannte Dinosporen durchs Wasser, bis sie ihren Wirt gefunden haben“, sagt Uwe John, Biologe am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). Wenn es soweit ist, heften sie sich an ihr Opfer, dringen in es ein und fressen es von innen auf. Dabei werden sie immer größer und bilden ein Stadium mit vielen Zellkernen. Wie ein Wurm kriecht dieses schließlich aus dem toten Wirt heraus und zerfällt in 200 bis 400 neue Dinosporen.

Ein solcher Infektionszyklus dauert nur drei bis vier Tage und kann den Gift-produzierenden Populationen von Alexandrium massiv zusetzen. „Möglicherweise liegt es auch an diesem Parasiten, dass zum Beispiel vor der Bretagne heute seltener giftige Algenblüten auftreten als noch vor ein paar Jahren“, vermutet John. Umso spannender ist es, den Giftalgen-Bezwinger näher kennenzulernen.

Unabhängig trotz kleinem Erbgut

Das Team um John hat nun das Erbgut des Parasiten Amoebophrya ceratii sequenziert, das aus etwa 100 Millionen Basenpaaren besteht. Das ist für einen Dinoflagellaten sehr wenig. So bringen es andere Arten dieser Algen auf 100 bis 200 Milliarden Basenpaare und übertreffen damit sogar die Größe des menschlichen Genoms um ein Vielfaches. Nun ist ein kleines Genom für einen Parasiten noch nichts Besonderes. Viele Anhänger dieses Lebensstils stellen nicht alle zum Überleben nötigen Stoffwechselprodukte selbst her, sondern bedienen sich bei ihren Wirten. Dadurch machen sie sich zwar von diesen abhängig, können aber auch auf viele Gene verzichten. Doch diesen Weg hat Amoebophrya ceratii nicht eingeschlagen. „Bei dieser Art funktionieren noch fast alle Stoffwechselprozesse, sodass sie auch allein sehr gut zurechtkommen sollte“, sagt John.

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Besonders weit getrieben hat sie diese Reduktion in jenem Teil des Genoms, der außerhalb des Zellkerns liegt. Bei Pflanzen und Algen findet sich eigene DNA außer in den Mitochondrien auch in den Plastiden, die sie für die Photosynthese brauchen. Deren Erbgut ist bei Dinoflagellaten im Allgemeinen schon ziemlich klein und besteht nur aus 14 Genen. Amoebophrya ceratii aber scheint die Plastiden und mit einer Ausnahme auch deren Gene ganz abgeschafft zu haben.

Sparprogramm für Gene

Noch spektakulärer ist das Sparprogramm, das der Parasit seinen Mitochondrien auferlegt hat. Bei seiner Verwandtschaft finden sich in der DNA dieser kleinen Zellkraftwerke immerhin noch drei Gene. Und Experten hatten es für unwahrscheinlich gehalten, dass die zur Disposition stehen könnten. Doch Amoebophrya ceratii hat offenbar das komplette Mitochondrien-Genom eingespart.

Mehr zur Evolution der Mitochondrien finden Sie in diesem Beitrag:

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Wie komplexe Zellen entstanden sind

Trotz aller akribischen Fahndungsarbeit hat das Team keine Spur davon gefunden. Zwei Gene sind den Forschern zufolge verschwunden, das dritte, die Cytochrom c Oxidase 1 (COX1 oder COI) ist in den Zellkern gewandert. „Das hat mich total überrascht, denn bisher ist kein anderes sauerstoffatmendes Lebewesen bekannt, das in seinen Mitochondrien kein eigenes Erbgut besitzt“, sagt John.

Noch unbekannte Form der Energiegewinnung

Diese Sparmaßnahme könnte praktisch sein, wenn die Parasiten schnell viele neue Dinosporen bilden müssen. „Möglicherweise ist es dann effektiver, alle Vorgänge über den Zellkern zu regulieren“, meint John. „So können wahrscheinlich auch die Ressourcen des Wirtes bestmöglich genutzt werden.“ Damit wäre allerdings nichts gewonnen, wenn dafür die Energieversorgung zusammenbräche.

Doch die Gefahr scheint nicht zu bestehen: Die Mitochondrien funktionieren in allen Lebensstadien gut und ermöglichen den Dinosporen auf Wirtssuche sogar ein rasantes Schwimmtempo. „Diese Parasiten haben für ihre Energiegewinnung wohl einen ganz eigenen Weg gefunden“, resümiert der Biologe vom AWI. „Sie benötigen zur Energiegewinnung nur einen Teil der fünf bekannten Proteinkomplexe, die durchgängig in den Mitochondrien von Menschen und allen Tieren zu finden sind.“

Die Endosymbiontentheorie in unter fünf Minuten: Das Video der Max-Planck-Society erklärt anschaulich, wie einst Bakterien eine untrennbare Symbiose eingingen, die zu den heutigen Mitochondrien in Eukaryoten führte. Auch die Chloroplasten von Pflanzenzellen sind vermutlich nach diesem Mechanismus entstanden.

Neue Sicht auf Endosymbiontentheorie

Die Forscher hoffen, dass diese Erkenntnisse helfen werden, die Evolution der Dinoflagellaten und ihrer Verwandten insgesamt besser zu verstehen. Das wäre auch deswegen interessant, weil zur Verwandtschaft dieser Algen auch andere Parasiten und die Erreger von Krankheiten wie Malaria gehören.

Zudem könnten die Ergebnisse auch neue Einblicke in die Entwicklungsgeschichte von Mitochondrien und Plastiden liefern, die heute unter dem Stichwort Endosymbiontentheorie bekannt ist. Beide waren ursprünglich unabhängige Lebewesen, die vor Urzeiten von anderen Einzellern geschluckt wurden und in ihnen als so genannte Endosymbionten weiterlebten. Mit der Zeit haben sie ihr Erbgut verkleinert und sind zu Dienstleistern der Zellen geworden, die alleine nicht mehr lebensfähig sind. Diese Entwicklung aber hat Amoebophrya ceratii wohl auf die Spitze getrieben und ihren Endosymbionten auch den letzten Rest ihrer genetischen Eigenständigkeit genommen.

Originalpublikation: Uwe John, Yameng Lu, Sylke Wohlrab, Marco Groth, Jan Janouškovec, Gurjeet S. Kohli, Felix C. Mark, Ulf Bickmeyer, Sarah Farhat, Marius Felder, Stephan Frickenhaus, Laure Guillou, Patrick J. Keeling, Ahmed Moustafa, Betina M. Porcel, Klaus Valentin, Gernot Glöckner: An aerobic eukaryotic parasite with functional mitochondria that likely lacks a mitochondrial genome. Science Advances 24 Apr 2019: Vol. 5, no. 4, eaav1110, DOI: 10.1126/sciadv.aav1110

* Dr. F. Mehrtens, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, 27570 Bremerhaven

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