Epigenetische Steuerung von Augenverlust bei Höhlenfischen

Blinde Höhlenfische sind ein viel zitiertes Beispiel für Rudimentation (Rückbildung von Organen). Schon lange wird der in Teilen Nordamerikas und Mexikos lebende blinde Höhlensalmler Astyanax mexicanus (Familie Characidae) untersucht. Die Fische leben in stockfinsteren Höhlen, in denen die besten Augen nichts nützen würden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass ihre Augen rückgebildet sind, obwohl die Gründe dafür nicht sicher geklärt sind: Vorteil durch Materialersparnis? Weniger Angriffsfläche für Infektionen, bloße Folge von Verlustmutationen durch Wegfall der Selektion? (vgl. Diskussion bei Junker 2002, 125–127; Moran et al. 2015) Als Ausgleich für den Verlust des Sehsinnes sind andere Sinnesorgane optimiert, der Stoffwechsel verändert und andere Anpassungen erfolgt. Die Höhlenformen besitzen z. B. einen sehr viel größeren Bereich mit Geschmacksknospen um das Maul herum (Peters 1990). Im Großen und Ganzen sind blinde Höhlenfische und die normalen Formen genetisch sehr ähnlich und sie können problemlos Mischlinge bilden.

Abb. 1: Die blinde Form des Höhlensalmlers Astyanax mexicanus (H. Zell,CC BY-SA 3.0)

Die Augen werden bei den blinden Höhlenfischen zunächst weitgehend normal angelegt und beginnen zwei Tage nach der Befruchtung zu verkümmern. Dieser Verlauf hängt damit zusammen, dass die Augenanlage bei Wirbeltieren eine formbildende Funktion bei den ersten Stadien der Kopfausformung hat. Eine zu frühe Störung durch Mutationen führt zu Missbildungen im Kopfbereich.

Die genetischen Ursachen für die Rückbildung der Augen waren bis vor kurzem ziemlich unklar. Es gab zwar Hinweise, dass mehrere Gene betroffen sind und Änderungen im Bereich der Regulationsgene vorliegen (Wilkens 1988), aber es konnten keine Genmutationen sicher identifiziert werden, die für die Augenentwicklung wichtig sind.

Nun konnte eine Forschergruppe zeigen, dass überraschenderweise genetische Änderungen (Mutationen der DNA) nicht ursächlich für den Augenverlust sind, sondern zahlreiche epigenetische Veränderungen (Gore et al. 2018, Koch 2018). Dabei wird das Erbgut selbst nicht verändert, sondern es werden Gene ein- oder ausgeschaltet, was typischerweise reversibel ist und oft nur einige Generationen anhält (anders als in der Regel bei Mutationen). Epigenetische Änderungen werden durch Umweltfaktoren sozusagen bedarfsgerecht beeinflusst; es handelt sich nicht wie bei den meisten Mutationen um ein Zufallsgeschehen mit gelegentlichen glücklichen Treffern, sondern um eine programmierte Situation. Das Ein- und Ausschalten der Gene erfolgt durch DNA-Methylierung; dabei werden Methylgruppen an DNA-Basen angefügt, was die Inaktivierung der betreffenden Gene bewirkt. Für die Methylierung ist hier das Enzym DNA-Methyltransferase (DNMT3B) zuständig.

Es stellte sich heraus, dass die Einschränkung der Augenentwicklung bei den A. mexicanus-Fischen durch eine epigenetische Stilllegung vieler Gene bewirkt wird.Von diesen Genen werden 26 Gene auch im menschlichen Auge exprimiert (genutzt), und 19 davon sind mit Erkrankungen des menschlichen Auges verbunden. Die Höhlenfische weisen in ihren sich entwickelnden Augen einen höheren Gehalt an DNMT3B auf. Eine Mutation des DNMT3B-Gens beim Zebrafisch führt interessanterweise zu einer höheren Aktivität von Augengenen und zu größeren Augen. Die Ergebnisse deuten damit insgesamt darauf hin, dass bei den blinden Höhlenfischen eine genetische Veränderung eintrat, die zu erhöhten DNMT3B-Werten führt, was zu einer epigenetischen Unterdrückung vieler Gene für die Augenentwicklung führt. Insgesamt handelt es sich damit um ein Zusammenspiel einer Regulationsmutation, die vielfache epigenetische Änderungen auslöste.

Das Beispiel der blinden Höhlenfische zeigt, dass Veränderungen in der DNA-Methylierung als wichtige molekulare Auslösemechanismen dienen können, die Vielfalt in der Merkmalsausprägung erzeugen. Möglicherweise ist hier eine der Quellen für schnelle Anpassungen zu suchen, denn epigenetisch verursachte Änderungen können – da durch äußere, hier z. B. durch Umweltbedingungen ausgelöst – schnell eine ganze Population betreffen. Die zeitraubende Fixierung mutierter günstiger Allele (Genausprägungen) entfällt. Und sofern es sich um eine programmierte Situation handelt – optionale Regulierungswege scheinen programmiert zu sein – entfällt auch eine lange Wartezeit auf gelegentlich günstige Mutationen.

R. Junker

[Gore AV, Tomins KA et al. (2018) An epigenetic mechanism for cavefish eye degeneration. Nat. Ecol. Evol. 2, 1155–1160 • Junker R (2002) Ähnlichkeiten, Rudimente, Atavismen. Studium Integrale. Holzgerlingen • Koch L (2018) All eyes on rapid adaptive evolution. Nat. Rev. Genet. 19, 472 • Peters N (1990) Regressive und rekonstruktive Evolution bei Höhlenfischen – zwei Formen besonders schnellen phylogenetischen Wandels. Z. zool. Syst. Evolut.-forsch. 28, 1–11 • Moran D, Softley R & Warrant EJ (2015) The energetic cost of vision and the evolution of eyeless Mexican cavefish. Sci. Adv. 1, e1500363]