Fledermäuse und Wale: Überraschende Konvergenz eines Proteins

Was haben Fledermäuse und Wale gemeinsam – außer dass sie zu den Säugetieren gehören? Nicht viel, aber in beiden Gruppen orientieren sich viele Arten mit einem Echoortungssystem, das sie zum Jagen und Navigieren benutzen. Es handelt sich um eine überaus komplexe Fähigkeit, zu der vermutlich viele hundert Gene beitragen (Li et al. 2008, 13962). Zu einem funktionierenden Echoortungssystem gehören die Erzeugung und Regelung eines hochfrequenten Rufs, das Hören des Echos und die Interpretation der eingehenden Signale. Außer bei Walen und Fledermäusen kommt Echoortung auch bei Spitzmäusen, Tenreks und zweimal bei Vögeln vor (Fettschwalm und Höhlensalangane; Veselka et al. 2010, 939). Die Fähigkeit zur Echoortung ist also mindestens sechsmal unabhängig entstanden, was für diese außergewöhnliche Fähigkeit an sich schon höchst erstaunlich ist.

Eine große Überraschung brachte eine Untersuchung der Sequenzen des Proteins prestin bei Fledermäusen, Walen und anderen Säugetieren, die von zwei Forschergruppen untersucht wurden (Liu et al. 2010, Li et al. 2010). Prestin wird beim Hörvorgang benötigt; es handelt sich um ein Transmembran-Motorprotein¹ und wird in den äußeren Haarzellen der Schnecke im Innenohr aktiviert. Es scheint als eine Art „Verstärkerprotein“ von besonderer Bedeutung für die Wahrnehmung höherer Frequenzen und für selektives Hören von einzelnen Frequenzen zu sein; beides ist für die Echoortung wichtig (Teeling 2009, 353; Li et al. 2008, 13959). Es stellte sich heraus, dass die Sequenzen von prestin bei Walen und Fledermäusen, die Echoortung haben, nahezu identisch sind. Für Stephen Rossiter, den Leiter der einen Arbeitsgruppe, kommt dieses Ausmaß an Ähnlichkeit völlig unerwartet. „Ich kenne kein weiteres Beispiel dafür, dass sich Konvergenz so genau in den Genen widerspiegelt“, wird er in der Süddeutschen Zeitung zitiert.² Obwohl es im Sonarsystem der beiden Tiergruppen einige Unterschiede gibt und obwohl sich der Schall in den beiden Medien Wasser und Luft deutlich unterschiedlich schnell bewegt, scheint genau eine bestimmte Form des prestin-Proteins für die Echoortung erforderlich zu sein. Zusätzlich zeigt auch der anatomische Bau der Schnecke in beiden Gruppen im Innenohr mannigfaltige Konvergenzen (Liu et al. 2010).

Die prestin-Aminosäuresequenzen bei Zahnwalen und Fledermäusen ähneln sich so stark, dass sie in einem auf diesen Daten basierenden Dendrogramm (Ähnlichkeitsbaum) als eine gemeinsame Gruppe erscheinen, obwohl beide Gruppen unter den Säugetieren sonst überhaupt nicht näher verwandt sind. Nach den DNA-Nukleotid-Sequenzdaten des Prestin-Gens gruppieren die Wale und Fledermäuse dagegen weitgehend gemäß dem Arten-Stammbaum. Nur innerhalb der Fledermäuse passen auch die Nukleotid-Sequenzdaten nicht zu den sonst anerkannten Verwandtschaftsbeziehungen.

Die Gemeinsamkeiten des prestin-Proteins bei den Fledermäusen und den Zahnwalen sind deswegen so erstaunlich, weil es sich um immerhin 14 Veränderungen handelt, die sich von dem jeweiligen Vorfahren herkommend ergeben haben mussten. Vermutlich ermöglicht dieser bestimmte Bau des prestins der Zahnwale und Fledermäuse, dass sie auf höhere Frequenzen reagieren können, und liefert so eine der biochemischen Voraussetzungen für ein funktionierendes Ultraschall-Sonarsystem. Es scheint also so, dass prestin für die Echoortung eine sehr spezifische Aminosäuresequenz benötigt. Dass dieser Unterschied in 14 Positionen durch ungerichtete Mutationen und Selektion jeder einzelnen Änderung Schritt für Schritt überbrückt wurde und von völlig verschiedenen Urahnen beider Tiergruppen zum selben Ergebnis kam, erscheint eine gewagte Annahme. Alle Zwischenschritte müssen selektionspositiv sein. Wie kam also diese erstaunliche Ähnlichkeit zustande? Die Forscher erhoffen sich Antworten durch Untersuchungen von prestin bei den anderen Arten, die eine Echoortung haben.

1 Transmembranproteine sind eine Untergruppe der Membranproteine, die die Zellmembranen (bestehend aus einer Phospholipiddoppelschicht) vollständig durchqueren.

2 http://www.sueddeutsche.de/wissen/genetik-ueberraschende-verwandtschaft-1.52654; siehe auch www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,673955,00.html

R. Junker

[Li G, Wang J, Rossiter SJ, Jones G, Cotton JA, Zhang S (2008) The hearing gene Prestin reunites echolocating bats. Proc. Natl. Acad. Sci. 105, 13959-13964; Li Y, Liu Z, Shi P & Zhang J (2010) The hearing gene Prestin unites echolocating bats and whales. Curr. Biol. 20, R55-R56; Liu Y, Cotton JA, Shen B, Han X, Rossiter SJ & Zhang S (2010) Convergent sequence evolution between echolocating bats and dolphins. Curr. Biol. 20, R53-R54; Teeling EC (2009) Hear, hear: the convergent evolution of echolocation in bats? Trends Ecol. Evol. 24, 351-354; Veselka N, McErlain DD et al. (2010) A bony connection signals laryngeal echolocation in bats. Nature 463, 939-942.]