Entschlüsselung der Genome zweier Tanganyikabuntbarsche

Die Buntbarsche mit ihren Artenschwärmen in den Seen Ostafrikas haben sich in den letzten Jahrzehnten als evolutionäre Modellsysteme etabliert. Seit der Entschlüsselung des Genoms der Menschen hat sich die Sequenziertechnologie massiv weiterentwickelt, weshalb es nun auch für kleine Forschungskonsortien möglich ist Genome zu entschlüsseln und die gewonnenen Informationen in ihre evolutionäre Forschung einzubeziehen. Seit mehr als 15 Jahren forschen wir an den Mechanismen der explosiven Artentstehung bei ostafrikanischen Buntbarschen, wobei wir die treibenden Kräfte der Artentstehung und ihren Zusammenhang mit ökologischer und morphologischer Spezialisierung auf neue Nischen in den Mittelpunkt stellen. Dafür haben wir die Tropheus- artigen Buntbarsche ausgewählt, die ausgehend von einer Stammart durch unterschiedliche Adaptationen ihres Kieferapparates alle möglichen Nahrungsnischen in den felsigen Küstenzonen erschlossen haben. Im vorliegenden Projekt wollen wir die Genome zweier öko-morphologisch divergenter Arten entschlüsseln: Tropheus moorii und Petrochromis trevawasae. Hierfür verwenden wir die 454 Sequenzierungstechnologie in Kombination mit der Shotgun-Technik, um die beiden Genome kostengünstig in hinreichender Genauigkeit zu entschlüsseln. Das Projekt ist als Kooperation dreier Gruppen von drei Grazer Universitäten geplant, von der Karl-Franzens- Universität, der Medizinischen Universität und der technischen Universität Graz, wobei jede Gruppe für den Gesamterfolg entscheidende Expertisen und Ressourcen einbringt. Das Team vom Institut für Zoologie stellt das Modellsystem, evolutionäre Fragestellung und Forschungshypothesen, das Zentrum für Medizinische Grundlagenforschung die Sequenzier-Infrastruktur und das molekularbiologische know-how, das Institut für Genomik und Bioinformatik liefert das Wissen und die bioinformatische Infrastruktur zur Assemblierung der Genomabschnitte und der Annotierung der Gene. Dieses Projekt ist nicht in Konkurrenz zu anderen Buntbarsch- Genomprojekten zu sehen, sondern als komplementärer Beitrag zu einem breiteren vergleichenden Ansatz von "natürlichen Mutanten", wobei einige sorgfältig ausgewählten Buntbarsch-Repräsentanten gemeinsame Muster der adaptiven Evolution und der Verbindung zu Artentstehungsprozessen in unterschiedlichen Stadien einer adaptiven Radiation erschließen. Durch den zusätzlichen Vergleich struktureller und regulatorischer Gene hoffen wir auch Korrelate zu den divergierenden morphologischen Strukturen zu finden, analog zu kürzlich erzielten Befunden für Malawi- und Victoria-Buntbarschen. Der Vorzug und komplementäre Beitrag der Tanganyika-Arten liegt in ihrem wesentlich höheren evolutionären Alter, was sich in vollständig sortierten mitochondrialen Genomen widerspiegelt.

Das erfolgreich abgeschlossene Projekt umfasste neben Studien zur Evolution und vergleichenden Morphologie vor allem die Rekonstruktion und den Vergleich der vollständigen Genome und Transkriptome von zwei Buntbarsch-Arten. Diese Fische stellen ein wichtiges Modellsystem zum Studium von evolutionären Prozessen dar, die z.B. steuern, wie neue Arten durch unterschiedliche ökologische Spezialisierung und Nischentrennung entstehen. Wenn dieser Vorgang kondensiert abläuft - wie in den großen ostafrikanischen Seen Tanganyika, Malawi und Victoria - und zur Entstehung von hunderten von neuen Arten führt, spricht man von einer adaptiven Radiation. Derartige explosive Phasen der Artentstehung haben oftmals in der Erdgeschichte die Fauna unseres Planeten erneuert. Da sich unsere Forschungsgruppe in Graz seit mehr als 15 Jahren auf den ältesten der drei Artenschwärme im Tanganyikasee konzentriert, haben wir zwei Buntbarsche aus diesem See zur Entschlüsselung der Genome ausgewählt, die sich vor etwa 3 Millionen Jahren von ihrem gemeinsamen Vorfahren getrennt haben und zwei völlig unterschiedliche Nahrungs- Spezialisierungen und Kopf-, Maul- und Zahnmorphologien evolviert haben. Unser Ziel war es den Pool der für die Forschung zur Verfügung stehenden Genome zu erweitern, und zur Entschlüsselung der genetischen Grundlagen der Kopfanatomie und deren Evolution beizutragen. Dieses Projekt wurde durch die Zusammenarbeit von vier österreichischen Universitäten möglich (drei in Graz im Rahmen der BioTechMed-Platform und einer in Wien) und nach mehr als vier Jahren intensiver Arbeit können wir nun zwei vollständige Vertebraten-Genome und die zugehörigen Transkriptome präsentieren, die durch die Kombination aktuellster Sequenziermethoden und umfangreiche bioinformatische Analysen erarbeitet wurden und qualitativ die bereits publizierten Buntbarschgenome erreichen bzw. übertreffen. Mit rund 918 Millionen Basen erreichen die Genome etwa ein Drittel der Genomgröße des Menschen, haben aber mit rund 24.000 Genen einen ähnlichen Genumfang wie der Mensch. Der Vergleich der beiden Genome ergab mehr als 5 Millionen genetische Variationen, von denen mehr als 1 Million in bekannten Genen liegen und damit mit höherer Wahrscheinlichkeit relevante Auswirkungen auf die Körperfunktionen und das Erscheinungsbild der beiden Arten haben. Vergleiche mit publizierten Genomen zeigen, dass Varianten in auch Genen liegen, die kürzlich mit der Gesichtsmorphologie des Menschen (im Speziellen der Nase und des Kinns) in Verbindung gebracht wurden. Weitere Untersuchungen sind hier nötig. Das Projekt unterstützte vier Masterarbeiten und zwei Dissertationen und stellt die Basis für ein Folgeprojekt dar, das nun auf das Verständnis der Evolution der genetischen Basis unterschiedlicher Ernährungs-Anatomien aus einem gemeinsamen Vorfahren abzielen kann. Bisher sind während dem Projekt 16 Publikationen und 19 Kongressbeiträge entstanden die Publikation der beiden Genome und drei weitere Artikel sind gerade in der Einreichungsphase.