Koevolution erhält genetische Vielfalt 15 Millionen Jahre Evolutionsrennen – das Red-Queen-Modell

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Mit Variationen im Erbgut schützt sich der Wasserfloh vor Parasiten. Wie in einem genetischen Schere-Stein-Papier-Spiel greift der Wasserfloh dabei immer wieder auf frühere Genvarianten zurück – und wechselt diese erneut, wenn sich der Parasit angepasst hat. Diese Koevolution tritt laut neusten Analysen schon seit 15 Millionen Jahren sinnbildlich auf der Stelle.

Wirte und ihre Parasiten befinden sich in einem dauernden Wettstreit: Dank genetischer Diversität kann sich der Wirt so verändern, dass eine Infektion nicht mehr möglich ist. Allerdings passt sich der Parasit schnell an – und das Spiel beginnt von vorne. Nach dem Charakter der Roten Königin im Buch „Alice hinter den Spiegeln“ − die ständig rennt und trotzdem auf der Stelle tritt − wird dies in der Evolutionsbiologie auch als das „Red Queen Modell“ bezeichnet.

Solche Prozesse können über viele Millionen Jahre ohne Unterbrechung ablaufen, wie eine Forschungsgruppe am Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel in der Fachzeitschrift Nature Communication nun berichtet. Dies ist ein wesentlich längerer Zeitraum als bisher geglaubt. Das Team um Prof. Dr. Dieter Ebert verglich für die Studie das Erbgut von millimetergroßen Wasserflöhen, die von einem parasitären Bakterium befallen werden.

Evolutionäres Hin und Her läuft länger als angenommen

Im Zentrum der Studie war die Fähigkeit des Parasiten, in den Darm der Wasserflöhe einzudringen und sich dort an die Schleimschicht anzuheften. Der Wasserfloh kann eine Infektion abwehren, indem er Moleküle verändert, die diesem Schleim anhaften. Daraufhin passt der Parasit seine Oberfläche an die veränderte Schleimstruktur an und hat kurzzeitig wieder die Nase vorn. Dieser Prozess der Koevolution sorgt dafür, dass im Wasserfloh immer mehrere genetische Varianten für Oberflächenmoleküle erhalten bleiben und sich nie eine einzelne durchsetzen kann.

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Bislang haben die Forschenden diese Koevolution zwischen Wasserfloh und Parasit bis vor die letzte Eiszeit vor etwa 100.000 Jahren zurückverfolgt. „Jetzt haben wir noch einmal einen Riesensprung gemacht und konnten zeigen, dass der Prozess mindestens 15 Millionen, vielleicht sogar 70 Millionen Jahre zurückgeht“, sagt Studienleiter Ebert. Besonders erstaunlich: Der Prozess fand ohne Unterbrechung statt, obwohl sich die Lebensbedingungen auf der Erde in diesem Zeitraum mehrmals dramatisch verändert haben. „Wir sprechen nicht von ein oder zwei Grad Temperaturunterschied, sondern von Schwankungen von mehr als zehn Grad und mehreren Eiszeiten.“ Möglicherweise überstand der Prozess sogar den Meteoriteneinschlag, der für das Aussterben der Dinosaurier verantwortlich gemacht wird.

Das Erbgut belegt eine Jahrmillionen lange Koevolution

Für den Nachweis nutzte das Forschungsteam drei verschiedene Arten von Wasserflöhen, die in Europa und Asien im Freiland gesammelt wurden. Eine Verwandtschaftsanalyse zeigte, dass die Aufsplittung dieser Arten vor mindestens 15 Millionen Jahren stattfand. Trotzdem waren alle anfällig für das gleiche parasitäre Bakterium.

Im Erbgut der Wasserflöhe fanden die Forschenden mehrere Abschnitte, die für Komponenten des Immunsystems kodierten und eine hohe Variabilität aufwiesen. Diese Diversität ermöglicht den Wasserflöhen, dem Parasiten immer wieder den Zutritt zu verweigern. Erstaunlicherweise befanden sich diese variablen Regionen bei allen Wasserfloharten an den gleichen Stellen des Erbguts. Dies zeigt, dass die Koevolution zwischen Wasserflöhen und dem Parasiten schon stattfand, bevor sich die Wirtsarten aufspalteten, also vor mindestens 15 Millionen Jahren. Es bedeutet zudem, dass dieser Vorgang ununterbrochen ablief – denn ansonsten würden in relativ kurzer Zeit genetische Varianten verloren gehen.

Genetische Variabilität für flexibles Immunsystem

Die Entdeckung der Wissenschaftler steht dem „Bauchgefühl“ entgegen, wie Evolution normalerweise funktioniert. „Eigentlich hat man die Vorstellung, dass die Evolution immer etwas Neues erfindet. Hier konnten wir zeigen, dass die gleichen Variationen von Genen über riesige Zeiträume hinweg immer wieder genutzt wurden“, sagt Ebert.

Auch beim Menschen sorgen genetische Variationen für eine Flexibilität des Immunsystems − zum Beispiel beim so genannten Histokompatibilitätskomplex, der körperfremde Strukturen erkennt und bekämpft. Allerdings konnten diese Vorgänge bislang nicht sehr weit zurückverfolgt werden. Auch scheinen, anders als beim Wasserfloh, mehrere Krankheitserreger daran beteiligt zu sein. „Die genetische Diversität bietet Schutz gegen Infektionskrankheiten, auch solche, die neu auftauchen. Deshalb ist es so wichtig zu verstehen, wie diese Variabilität über lange Zeiträume erhalten bleibt“, sagt der Evolutionsbiologe.

Originalpublikation: Luca Cornetti, Peter D. Fields, Louis Du Pasquier und Dieter Ebert: Long-term balancing selection for pathogen resistance maintains trans-species polymorphisms in a planktonic crustacean, Nature Communications 15, Article number: 5333 (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-49726-8

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