Bestimmung der Mutationsrate in Haien
Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Haie gehören zu einer der basalsten Wirbeltiergruppen, den Chondrichthyes. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung und Erhaltung einer Vielzahl mariner Ökosysteme. Allerdings ist wenig bekannt über die Evolutionsrate und das Anpassungspotenzial von Haipopulationen, den ökologischen Belastungen durch Überfischung und Lebensraumverlust entgegenzuwirken. Wie schnell Haipopulationen evolvieren und sich von niedrigen Populationsdichten erholen können, hängt letztendlich von der genetischen Vielfalt innerhalb der Population ab, ein Wert, der wiederum von der Keimbahnmutationsrate µ abhängt. Ein weiteres interessantes Merkmal von Haien, von dem wir annahmen, dass es zumindest teilweise mit der endogenen Mutationsrate zusammenhängt, ist die geringe Häufigkeit von Tumoren im Vergleich zu anderen Fischen, mit denen sie ihre Umwelt teilen. Ziel unserer Studie war es daher, diesen kritischen Parameter und seinen Einfluss auf die Genetik und Evolution von Haien zu bestimmen. Wir haben uns für die zuverlässigste Methode zur Abschätzung der de-novo-Mutationsrate entschieden, nämlich die direkte Bestimmung von Mutationen durch Hochdurchsatzsequenzierung der Genome eines Elternpaars und deren Nachkommen. Als Zielart wählten wir den Epaulettenhai, Hemiscyllium ocellatum, da eine vollständige Geschwisterfamilie zur Verfügung stand. Zunächst wurde im Rahmen des Vertebrate Genome Project ein Referenzgenom auf Chromosomenebene mit Haplotypenauflösung erstellt. Anschließend wurden die Genome aller Familienmitglieder sequenziert und die Neumutationen bestimmt. Nach PCR-Bestätigung der Varianten wurde µ auf 7x10-10 pro Basenpaar und Generation geschätzt. Dieser Wert, der erste für die gesamte Gruppe der Chondrichthyes, ist die niedrigste direkt geschätzte Mutationsrate aller Wirbeltiere. Da die somatische Mutationsrate mit der Keimbahnrate korreliert, ist eine entsprechend niedrige spontane somatische Rate (vermutlich auch verbunden mit einer hocheffizienten DNA-Reparaturmaschinerie) zu erwarten. Dies würde eine verringerte Suszeptibilität für die Entwicklung von Neoplasien bedingen. Die extrem niedrige Mutationsrate der Haie ist auch ein Beweis dafür, dass es sich bei dieser basalen Wirbeltiergruppe tatsächlich um eine sich langsam entwickelnde Abstammungslinie handelt, deren Fähigkeit, die genetische Vielfalt nach einem anhaltenden Populationsengpass wiederherzustellen, durch diese niedrige Rate möglicherweise beeinträchtigt wird. Die niedrige Mutationsrate wirft Fragen auf, wie Haie insbesondere im Anthropozän mit seinen in gerade jüngster Zeit zunehmenden Bedrohungen durch schädliche ökologische Belastungen genetische Vielfalt aufrechterhalten können und sich weiterentwickeln und anpassen können. Um die Auswirkungen einer niedrigen Mutationsrate auf die genetische Vielfalt in Haipopulationen besser zu verstehen, haben wir 61 Individuen aus natürlichen Populationen von Bambushaien sequenziert. Die Bestimmung der individuellen Heterozygotie, der genetischen Vielfalt auf Populationsebene und der Mutationslast soll Informationen zur Bewertung der evolutionären Folgen einer niedrigen Mutationsrate liefern und Rückschlüsse für ein besseres Verständnis der Haibiologie ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Low mutation rate in epaulette sharks is consistent with a slow rate of evolution in sharks. Nature Communications, 14(1).
Sendell-Price, Ashley T.; Tulenko, Frank J.; Pettersson, Mats; Kang, Du; Montandon, Margo; Winkler, Sylke; Kulb, Kathleen; Naylor, Gavin P.; Phillippy, Adam; Fedrigo, Olivier; Mountcastle, Jacquelyn; Balacco, Jennifer R.; Dutra, Amalia; Dale, Rebecca E.; Haase, Bettina; Jarvis, Erich D.; Myers, Gene; Burgess, Shawn M.; Currie, Peter D. ... & Schartl, Manfred
