Mobilomik der Toxinproduktion bei Cyanobakterien

Massenaufkommen von toxischen Algen in Gewässern haben in der Vergangenheit zu Vergiftungen von Tieren und Menschen geführt. Durch die Entschlüsselung des Erbguts dieser toxischen Blütenbildner versucht man, wichtige ökologische Anpassungen in Erfahrung zu bringen, um durch spezielle Maßnahmen diese Algen an ihrer Ausbreitung zu hindern. Die Entschlüsselung der Genome dieser Organismen wird durch sich wiederholende DNA (repetitive DNA) Sequenzen behindert, die von sogenannten mobilen Elementen (ME) stammen, die definitionsgemäß ihre Position im Genom spontan verändern. Der Anteil dieser ME am gesamten Genom ist beträchtlich (1-11%). Es wird vermutet, dass diese ME zur physiologischen Plastizität eines bestimmten Organismus durch Restrukturierung des Genoms wesentlich beitragen, jedoch können lediglich in ihrer Gesamtheit assemblierte Genome bezüglich dieses Einflusses analysiert werden. In den letzten Jahren ist es uns gelungen, das Genom des blütenbildenden und toxischen Cyanobakteriums Planktothrix agardhii zur Gänze zu assemblieren und die vorhandenen ME systematisch zu erfassen. Mithilfe dieses Referenzgenoms sollen in diesem Projekt acht weitere Genome von Isolaten derselben Art jedoch unterschiedlicher ökologischer Einnischung sequenziert und assembliert werden. Diese Vertreter wurden aus einem Stammbaum mit insgesamt 140 Isolaten ausgewählt und repräsentieren je eine über ein bis drei Kontinente (Eurasien, Nordamerika, Afrika) verbreitete Verwandschaftslinie, die entweder toxische oder harmlose Genotypen enthält. Es ist das Ziel dieses Projekts herauszufinden, (1) welchen Anteil ME an der Veränderung/Erneuerung der Toxinproduktion in einzelnen Verwandschaftslinien haben, (2) welche Toxine von ME nicht betroffen und deswegen von selektivem Vorteil sind, (3) welche ME in den einzelnen Verwandschaftslinien tatsächlich aktiv sind, (4) auf welche Art und Weise ME die Toxinproduktion im Ökosystem beeinflussen. Während die Genomsequenzierung Aufschluss über die Vielfalt der vorhandenen ME gibt, wird die vergleichende Analyse der insgesamt 140 Isolate Aufschluss darüber geben, welche ME basierten genetischen Veränderungen in der Produktion von Toxinen (oder verwandten Naturstoffen) für einzelne Verwandschaftslinien spezifisch sind. Die tatsächliche Aktivität und Spezifität häufiger ME wird in E. coli heterolog überprüft werden. Nachdem die DNA Sequenzen dieser ME bekannt sind, können die flankierenden Regionen der ME kultivierungsunabhängig direkt im Ökosystem bestimmt und neue noch unbekannte Veränderungen in der Toxinproduktion frühzeitig aufgezeigt werden. Dieses Projekt ist das erste, dass die ökologische Einnischung einer geographisch weitverbreiteten blütenbildenden Alge in Abhängigkeit von der Rolle einzelner ME untersucht. Nachdem durch die Genomsequenzierung und die vergleichende Analyse der Isolate das gesamte Inventar der genetisch fixierten Toxinproduktion aufgezeigt wird, ist es möglich die Toxinproduktion direkt mit der spezifischen ökologischen Einnischung zu vergleichen. Dadurch wird es möglich sein, vorherzusagen, welche toxischen Genotypen am wahrscheinlichsten von der durch die globale Klimaerwärmung bedingten Zunahme der Algenblütenbildung profitieren.

Voralpenseen gelten allgemein als Juwelen der Alpenregion. Durch Überdüngung und Klimaerwärmung vermehren sich blütenbildende Cyanobakterien die an tiefe Seen der Alpenregion angepasst sind (z.B. die bekannte Burgunderblutalge). Bislang ist unbekannt welche Rolle die Synthese von toxischen Peptiden, beispielsweise Microcystine, bei der Besiedelung und Dominanz im Ökosystem spielt. Erst durch die genomische Information der Cyanobakterien wird ein Einblick in die enorme Vielfalt des Sekundärmetabolismus ermöglicht. Mit Hilfe eines kürzlich fertiggestellten Referenzgenoms wurden auf genomischer Ebene mehrere Vertreter derselben Algengattung, isoliert aus unterschiedlichen ökologischen Nischen hinsichtlich der Peptidsynthese untersucht. Diese einzelnen Ökotypen repräsentieren je eine über die Kontinente (Eurasien, Nordamerika, Afrika) verbreitete Verwandtschaftslinie, die sowohl toxische als auch harmlose Genotypen enthält. Die erworbene Genominformation wurde verwendet, um die Struktur bzw. Rekombination von Genclustern des Sekundärmetabolismus in mehr als hundert Isolaten quantitativ zu analysieren und die Häufigkeit und die phylogenetische Fixierung einzelner Rekombinationen (z.B. durch horizontalen Gentransfer) zu bestimmen. Außerdem konnte die Häufigkeit von sog. Transposablen (Mobilen) Elementen in verschiedenen Entwicklungslinien bestimmt und deren Aktivität analysiert werden. Letztlich wurden durch phylogenetische Methoden auch das relative Alter verschiedener toxischer Peptidfamilien bestimmt und jene Peptide identifiziert die besonders der natürlichen Selektion unterliegen. Durch einen Vergleich der verschiedenen Verwandtschaftslinien wurde herausgefunden, dass die Bildung toxischer Peptide mit der Verbreitung und dem Erfolg einzelner Arten korreliert. Überraschenderweise gibt es zur Burgunderblutalge morphologisch idente Arten, die jedoch keine der bekannten Peptide enthalten. Phylogenetische Analysen zeigen eine nahe Verwandtschaft und eine evolutiv junge Abspaltung der Burgunderblutalge von verwandten Genotypen. Zudem zeigt sich ein Einfluss der ökophysiologischen Anpassung und der geographischen Distanz der Habitate auf die Vielfalt der Peptid Struktur. Es erscheint daher sinnvoll, die Evolution der Synthese verschiedener toxischer Peptide in Abhängigkeit zur ökologischen Nischenbildung zu untersuchen. Dazu wurde eine Methode zur Echtzeit-Beobachtung von Mutationen durch Mobile Elemente im Microcystingencluster bei Einzelfilamenten entwickelt. Durch empfindliche Analyseverfahren konnten selbst bei isolierten einzelnen Filamenten aus dem Freiland Dutzende von Genen hinsichtlich der Variabilität auf DANN- Ebene untersucht und quantifiziert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Insertion der Mobilen Elemente nicht zufällig passiert, sondern durch repetitive Sequenzabfolgen geleitet wird, und damit das Auftreten der Mutationen vorhersagbar wird. Die Häufigkeit der Mutationen variiert zudem saisonal beträchtlich, was letztlich durch eine variable Aktivität der Mobilen Elemente erklärt werden kann. Die beobachteten Mutationen bestehen entweder in der Löschung von Genorten oder in Insertionen von neuen Genorten. Die Verbreitung dieser spezifischen Erkennungssequenzen in der Burgunderblutalge kann letztlich erklären, warum bei dieser Art Mutationen der Toxinsynthese im Vergleich zu anderen toxischen Cyanobakterien relativ häufig sind.