Die Tiergänome folgen irreversiblen "Evolutionstrassen" über Tausende von Arten hinweg

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich Tierenom auf einer begrenzten Reihe von irreversiblen "Evolutionstrassen" entwickelt, was eine gemeinsame genetische Blaupause aufzeigt, die sich über Millionen von Jahren und Tausende von Arten erstreckt. Diese Entdeckung beruht auf einer bahnbrechenden Analyse von über 5.800 Chromosomen-Genomen, die 4.454 Arten in 19 Tierfamilien repräsentieren. Die Forschung, die von einem internationalen Team der Universität Wien geleitet wurde, wurde in Science Advances veröffentlicht und markiert die bisher größte vergleichende Studie über Tierenom.

Die Studie identifiziert spezifische Wege, durch die Genome sich entwickelt haben, und zeigt, dass sich die individuellen Arten zwar in Aussehen und Biologie stark unterscheiden, ihre zugrunde liegenden genomischen Strukturen jedoch grundlegende Ähnlichkeiten aufweisen. Diese Ähnlichkeiten stammen von einem gemeinsamen Vorfahren, der vor mehr als 600 Millionen Jahren lebte. Im Laufe der Zeit haben Chromosomen innerhalb dieser Arten Fusionen, Spaltungen und Umordnungen erfahren, aber das Gesamtmuster der Veränderung folgt vorhersehbaren Wegen, anstatt zufällig aufzutreten. Die Forscher entwickelten einen neuartigen analytischen Rahmen, der als "evolutionäre Genomtopologie" bekannt ist, um den riesigen Datensatz zu visualisieren und zu vergleichen.

Diese Methode erlaubt es Wissenschaftlern, die Vielfalt der Tiergenome auf eine einheitliche Karte zu projizieren und die "Highways" aufzudecken, auf denen die Genomevolution voranschreitet. Jeder Weg repräsentiert eine Reihe von genetischen Transformationen, die die Abstammung verschiedener Tiergruppen geprägt haben. Gemäß der Studie spielt das Konzept der "Fusion-mit-Mischung" eine zentrale Rolle bei der Gestaltung dieser evolutionären Highways.

Diese Marker helfen, wichtige Tiergruppen zu unterscheiden und ihre Positionen im "Genom-Architekturraum" festzulegen, einer konzeptionellen Landschaft, die die strukturelle Organisation von Genomen über Arten hinweg widerspiegelt. Wenn Arten voneinander abweichen, nehmen ihre Genome zunehmend unterschiedliche Wege ein. Einige Gruppen behalten eine höhere Anzahl von Chromosomen, während andere aufgrund wiederholter Fusionen eine Verringerung erfahren. Im Gegensatz dazu unterliegen einige Arten Chromosomen-Trennung, was zu einer erhöhten Anzahl führt. Unabhängig von der Richtung der Veränderung stellt der Prozess der "Fusion-mit-Mischung" sicher, dass eine Linie, sobald sie einen bestimmten Weg eingeschlagen hat, nicht mehr in ihren vorherigen Zustand zurückkehren kann.

Diese Unumkehrbarkeit trägt zur Divergenz der Genomstrukturen zwischen verschiedenen Tiergruppen bei. Die Auswirkungen dieser Forschung gehen über das theoretische Verständnis hinaus. Durch die Kartierung dieser evolutionären Autobahnen gewinnen Wissenschaftler Einblicke in die Entwicklung von Genomen in der Zukunft. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse praktische Anwendungen für die Erhaltung der Tierbiodiversität. Das Verständnis der genetischen Grundlagen von Arten kann Strategien zum Schutz gefährdeter Populationen und zur Erhaltung der genetischen Vielfalt beeinflussen.

Darrin Schultz, der die Forschung als Postdoktorand an der Universität Wien leitete und jetzt Assistenzprofessor an der Lehigh University und Lehigh Oceans ist, betonte die Bedeutung der Visualisierung von Tausenden von Genomen auf einer einzigen Karte. Er stellte fest, dass diese Perspektive es Forschern ermöglicht, die einzigartigen evolutionären Reisen verschiedener Tiergruppen zu verfolgen. Darüber hinaus können Wissenschaftler durch die Manipulation der Kartenstruktur vergleichen, wie verschiedene Arten sich nach ihrer Spaltung von einem gemeinsamen Vorfahren unterschieden haben. Oleg Simakov, Professor an der Universität Wien und Co-Leiter der Studie, hob die doppelte Bedeutung der Ergebnisse hervor.

Diese Erkenntnisse können die Bemühungen um den Schutz des genetischen Erbes verschiedener Tierarten gegen Umweltdruck und Habitatverlust leiten. Die Studie unterstreicht die Macht der modernen Genomik, versteckte Verbindungen zwischen scheinbar unterschiedlichen Organismen aufzudecken. Da mehr Genome in hochauflösenden Formaten verfügbar werden, erwarten die Forscher weitere Verfeinerungen des Modells der evolutionären Autobahnen. Zukünftige Studien können untersuchen, wie diese Wege Merkmale wie Entwicklungsprozesse, Krankheitsanfälligkeit und ökologische Anpassungen beeinflussen.