Um mehr über Menschen zu erfahren, hat ein großes internationales Team von Wissenschaftlern Jahre damit verbracht, einige der seltsamsten Kreaturen der Erde aufzuspüren. Sie lagerten auf einer arktischen Eisscholle, um DNA von dem Narwal mit einem Stoßzahn zu sammeln, fingen eine winzige Hummelfledermaus in einer höhlenreichen Region Südostasiens und wagten sich hinter die Kulissen eines karibischen Zoos, um dem schmalschnauzigen Solenondon Blut zu entnehmen , eines der wenigen giftigen Säugetiere der Welt.
Die Forscher verglichen die Genome dieser Säugetiere mit denen einer Vielzahl anderer Säugetiere, darunter ein Erdferkel, ein Erdmännchen, ein Maulwurf mit Sternnase und ein Mensch. Dabei konnten sie DNA-Abschnitte identifizieren, die sich über Äonen der Säugetierevolution kaum verändert haben und daher wahrscheinlich lebenswichtig für die menschliche Gesundheit und Funktion sind.
Die genetische Datenbank, die sie zusammengestellt haben, umfasst die vollständigen Genome von 240 Arten, die mehr als 80 Prozent der Säugetierfamilien des Planeten (einschließlich Menschen) abdecken. Es könnte Wissenschaftlern helfen, eine Vielzahl von Fragen über andere Tiere zu beantworten, z. B. wann und wie sie sich entwickelt haben und die biologischen Grundlagen für einige ihrer ungewöhnlichen Talente.
„Welche erstaunlich coolen Dinge können diese Arten tun, die Menschen nicht tun können?“ sagte Elinor Karlsson, Genetikerin an der UMass Chan Medical School und dem Broad Institute und Co-Leiterin des sogenannten Zoonomia-Projekts. „Wir stellen uns Menschen immer gerne als die besondere Spezies vor. Aber es stellt sich heraus, dass wir in vielerlei Hinsicht ziemlich langweilig sind.“
Der Zoonomia-Datensatz hat Einschränkungen. Es enthält nur ein Genom pro Art (mit Ausnahme des Haushundes, der zweimal sequenziert wurde), und Tausende von Säugetieren fehlen.
Aber in einem neuen Paket von Papieren, das am Donnerstag in Science veröffentlicht wurde, demonstrierte das Zoonomia-Team die Leistungsfähigkeit dieser Art von Multispezies-Daten. Und das ist erst der Anfang.
„Das Sequenzieren vieler Genome ist nicht trivial“, sagte Michael G. Campana, ein Wissenschaftler für Computergenomik am National Zoo and Conservation Biology Institute von Smithsonian, der nicht an dem Projekt beteiligt war. „Was wirklich wichtig ist, ist die tatsächliche Nutzung dieser Daten.“
Hier sind einige der Dinge, die Zoonomia-Wissenschaftler bereits damit machen:
Aufdecken der Grundlagen besonderer Fähigkeiten
Um nach den Grundlagen außergewöhnlicher tierischer Talente zu suchen, suchten die Wissenschaftler nach genetischen Sequenzen, die sich ungewöhnlich schnell bei Arten entwickelt hatten, die ein bestimmtes Merkmal gemeinsam hatten, wie beispielsweise die Fähigkeit zum Winterschlaf.
In einer Analyse konzentrierten sich die Forscher auf Tiefwintertiere wie den Fettschwanz-Zwergmaki und das Große Mausohr, die tage- oder wochenlang niedrige Körpertemperaturen aufrechterhalten können. Die Forscher fanden Hinweise auf eine „beschleunigte Evolution“ in einer Vielzahl von Genen, darunter eines, von dem bekannt ist, dass es dazu beiträgt, Zellen vor temperaturbedingtem Stress zu schützen, und ein anderes, das einen mit dem Altern verbundenen Zellweg hemmt.
„Viele überwinternde Arten haben auch eine außergewöhnliche Langlebigkeit“, sagte Dr. Karlsson, was sie zu der Frage veranlasste: Tragen die Veränderungen in diesem Gen zu ihrem langen Leben bei?
Die Forscher erforschten auch den Geruchssinn von Säugetieren. Tiere haben eine große Auswahl an verschiedenen Geruchsrezeptoren, von denen jeder an bestimmte geruchsverursachende Moleküle binden kann; Arten mit mehr olfaktorischen Rezeptorgenen haben im Allgemeinen einen schärferen Geruchssinn.
Als das Zoonomia-Team die Anzahl dieser Gene in jeder Art auszählte, belegte der afrikanische Savannenelefant mit 4.199 den Spitzenplatz. Es folgten das Neunbinden-Gürteltier und Hoffmanns Zweifinger-Faultier, während das mittelamerikanische Agouti den vierten Platz belegte.
Der Agouti „hat aus völlig unbekannten Gründen eines der besten olfaktorischen Repertoires aller Säugetiere“, sagte Dr. Karlsson. „Es ist eine Erinnerung daran, wie viel Vielfalt es da draußen gibt, von der wir nichts wissen.“ (Hunde, bemerkte sie, erwiesen sich in dieser Hinsicht nicht als „besonders besonders“.)
Auf der anderen Seite haben Wale – eine Gruppe, zu der Delfine und Wale gehören – eine bemerkenswert kleine Anzahl von olfaktorischen Rezeptorgenen, was angesichts ihrer wässrigen Lebensräume sinnvoll ist. „Sie kommunizieren auf andere Weise“, sagte Kerstin Lindblad-Toh, Genetikerin am Broad Institute und der Universität Uppsala und die andere Leiterin des Zoonomia-Projekts.
Arten mit mehr olfaktorischen Rezeptorgenen neigten auch dazu, mehr olfaktorische Nasenmuscheln zu haben, knöcherne Strukturen in der Nasenhöhle, die den Geruchssinn unterstützen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass „wenn bestimmte Eigenschaften wichtig sind, sie sich auf verschiedene Weise entwickeln“, sagte Dr. Lindblad-Toh.
Sie fügte hinzu: „Ich denke, eines der wichtigsten Dinge bei unserem Datensatz ist, dass er die Genomsequenzierung für so viele verschiedene Arten generiert, dass die Menschen anfangen können, sich ihre Lieblingsmerkmale anzusehen.“
Porträts von Bevölkerungen malen
Im Februar 1925, mitten in einem Diphtherie-Ausbruch, lieferte eine Staffel von Schlittenhundeteams eine Notversorgung mit Antitoxin nach Nome, Alaska, das durch Schnee isoliert worden war. Balto, einer der Hunde, die die letzte Etappe der Staffel liefen, wurde berühmt; Als er einige Jahre später starb, wurde sein ausgestopfter Körper im Cleveland Museum of Natural History ausgestellt.
Ein Team von Zoonomia-Forschern hat nun ein kleines Stück dieses ausgestopften Gewebes verwendet, um mehr über den berühmten Schlittenhund und seine hündischen Zeitgenossen zu erfahren. „Wir sahen dies als kleine Herausforderung“, sagte Kathleen Morrill, eine Autorin des Balto-Papiers, die die Forschung als Doktorandin an der UMass Chan Medical School durchführte und jetzt leitende Wissenschaftlerin bei Colossal Biosciences ist. „Hier ist diese eine Person, wirklich berühmt. Wir wissen nicht viel über seine Biologie. Was können wir über sein Genom sagen?“
Sie fanden heraus, dass Balto genetisch „gesünder“ war als moderne reinrassige Hunde, mit mehr vererbter genetischer Variation und weniger potenziell schädlichen Mutationen. Dieser Befund rührt wahrscheinlich von der Tatsache her, dass Schlittenhunde typischerweise für körperliche Leistung gezüchtet werden und eine Mischung aus Rassen sein können.
Balto hatte auch eine Auswahl an genetischen Varianten, die bei Wölfen nicht vorhanden waren und bei modernen reinrassigen Hunden selten waren oder fehlten, fanden die Forscher heraus. Viele Varianten befanden sich in Genen, die an der Gewebeentwicklung beteiligt sind und möglicherweise eine Vielzahl von Merkmalen beeinflusst haben, die für Schlittenhunde wichtig sind, wie z. B. Hautdicke und Gelenkbildung. Balto hatte zwei Kopien dieser Varianten, eine von jedem Elternteil geerbt, was bedeutet, dass sie zu dieser Zeit wahrscheinlich bei anderen alaskischen Schlittenhunden zumindest etwas verbreitet waren.
„Wir bekommen ein viel klareres Bild davon, wie er war und wie seine Bevölkerung ausgesehen hätte“, sagte Katie Moon, Postdoktorandin an der University of California in Santa Cruz und Autorin der Studie. „Und dieses Bild zeigt wirklich gut angepasste Arbeitsschlittenhunde.“
Erhellende evolutionäre Zeitlinien
Wissenschaftler haben lange darüber debattiert, wie und wann die heutige Vielfalt an Säugetieren entstanden ist. Hat sich der Stammbaum der Säugetiere erst nach dem Aussterben der Dinosaurier vor etwa 66 Millionen Jahren verzweigt? Oder fand der Prozess weitgehend vor der Katastrophe statt?
Eine neue Analyse mit den Zoonomia-Genomen legt nahe, dass die Antwort beides ist. Säugetiere begannen zuerst, sich zu diversifizieren vor etwa 102 Millionen Jahren, als die Kontinente der Erde zersplitterten und der Meeresspiegel zu steigen begann. „Dadurch wurden die Vorgänger der modernen Linien auf verschiedenen Landmassen isoliert“, sagte William Murphy, Evolutionsgenetiker an der Texas A&M University und Autor der Abhandlung.
Aber ein weiterer Schub der Diversifizierung kam nach dem Aussterben der Dinosaurier, fanden die Forscher heraus, als die Entstehung von neuem Land und das Verschwinden der vorherrschenden Reptilien den Säugetieren neue Lebensräume, Ressourcen und Möglichkeiten boten.
„Es ist ein wirklich wegweisendes Papier“, sagte Scott Edwards, ein Evolutionsbiologe in Harvard, der nicht an der Forschung beteiligt war. “Es ist wahrscheinlich das größte seiner Art, wenn es darum geht, Säugetiere auf eine Zeitskala zu bringen.”
Das Zoonomia-Paket im weiteren Sinne ist „ein monumentales Werk“, fügte er hinzu. “Es wird wirklich den Standard für unser zukünftiges Verständnis der Evolution von Säugetieren setzen.”
Vorhersage des Aussterberisikos
Säugetiere erben im Allgemeinen zwei Kopien der meisten genetischen Sequenzen, eine von jedem Elternteil. Die Bestimmung, wie genau diese Sequenzen übereinstimmen, kann einen Einblick in die Größe früherer Tierpopulationen geben; Lange Strecken übereinstimmender DNA können zum Beispiel ein Zeichen von Inzucht sein.
Das Genom eines einzelnen Tieres spiegelt wider, „wie eng seine Eltern, Großeltern und den ganzen Weg zurückverwandt waren“, sagte Aryn Wilder, Naturschutzgenetiker bei der San Diego Zoo Wildlife Alliance.
Dr. Wilder und ihre Kollegen verwendeten die Zoonomia-Genome, um die Populationsgrößen verschiedener Arten im Laufe der Geschichte abzuschätzen. Verglichen mit Arten, die historisch häufig vorkamen, wiesen diejenigen mit kleinen Populationen in der Vergangenheit mehr potenziell schädliche genetische Mutationen auf und wurden mit größerer Wahrscheinlichkeit von der International Union for Conservation of Nature als bedroht eingestuft.
Die Forscher analysierten auch die Genome von drei Arten, deren Aussterberisiko die IUCN aufgrund fehlender Daten als unbekannt ansah: des Killerwals, der blinden Maulwurfsratte der Upper Galilee Mountains und des Java-Maushirschs (der genauso aussieht wie in der Werbung). . Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass der Killerwal am stärksten gefährdet sein könnte.
Der Ansatz könnte eine schnelle Möglichkeit bieten, Arten für gründlichere, ressourcenintensivere Risikobewertungen zu priorisieren, sagte Beth Shapiro, Paläogenetikerin an der University of California, Santa Cruz, und Autorin der Studie. „Es könnte ein relativ unkomplizierter Weg sein, eine Naturschutz-Triage durchzuführen“, sagte sie.