Flügelmuster bei Schmetterlingen: sehr „alte“ genetische Module
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Schmetterlinge gehören sicherlich zu den bemerkenswertesten Insektenarten. Nicht nur ihre Metamorphose, sondern auch die vielen faszinierend schönen Flügelmuster veranlassen jeden Beobachter zum Staunen und Nachsinnen. Einigen Schmetterlingen dienen die Flügelmuster zur Abschreckung von Fressfeinden. Kürzlich haben Forschungsarbeiten an fünf verschiedenen Arten von Schmetterlingen aus der Familie der Edelfalter (Nymphalidae) ergeben, dass die Variationen ihrer Flügelmuster, die zwischen verschiedenen Arten stark übereinstimmen, auf nichtcodierenden genetischen Elementen beruhen (Mazo-Vargas et al. 2022); diese waren früher fälschlicherweise oft als genetischer „Schrott“ bezeichnet worden. Die Autoren beschreiben die Fragestellung ihrer Arbeit wie folgt: „Es ist bisher kaum verstanden, wie regulatorische genetische Architekturen zugleich tiefe Homologien [abstammungsbedingte Ähnlichkeiten] und der Anpassung dienende Veränderungen beinhalten können“ (Ergänzung B. S.). Es ging ihnen also darum zu verstehen, weshalb eine überraschend vielfältige äußerliche Variation ermöglicht wird, obwohl die zugrundeliegenden genetischen Strukturen sich kaum ändern. Welche Ursachen der Veränderung der Flügelmuster haben die Wissenschaftler herausgefunden?
Neben vergleichenden Analysen des Erbguts der fünf Falterarten wurden von Mazo-Vargas et al. systematische Knockout-Experimente an sogenannten cis-regulatorischen Bereichen des Gens WntA durchgeführt, d. h. es wurde nicht das Protein-codierende Gen an sich ausgeschaltet, sondern Bereiche, die die Aktivität des besagten Gens regulieren. WntA codiert für die Synthese eines Signalproteins, das die Ausbildung der Flügelmuster der Falter steuert. Ein Ausschalten des Gens führt dementsprechend dazu, dass die Flügelmuster nicht ausgebildet werden. Veränderungen der regulatorischen Bereiche des Gens wurden durch Entfernen von Teilen des genetischen Materials (Deletionen) mittels des Gentechnikwerkzeugs „CRISPR-Cas9 shotgun deletion“ erreicht. Das ist vergleichbar mit Schüssen aus einem Schrotgewehr auf ein Bild: Bei jedem Schuss entsteht ein anderes Muster an Löchern.
Je nachdem, welches Mutationsmuster entstand, resultierte daraus entweder der stellenweise Verlust an schwarzem Pigment oder eine Zunahme. Das führte zu einer Veränderung des Pigmentmusters auf den Flügeln im Sinne eines stellenweisen Erbleichens oder einer Ausweitung der farbigen Bereiche. Dabei hatten Mutationen Auswirkungen am ganzen Körper, sowohl in den vorderen als auch in den hinteren Flügeln. Zudem zeigten sich bei allen Arten ähnliche Auswirkungen der Mutationen auf die Flügelmuster. Unter den fünf gewählten Arten waren zwei, die sich von den anderen hinsichtlich bestimmter Eigenschaften stärker unterschieden: Heliconiushimera (Abb. 1) und der Monarchfalter (Abb. 2, ). Heliconiushimerahebt sich von den anderen durch sein dunkles Erscheinungsbild ab, während der Monarchfalter sich auf genetischer Ebene stärker von allen anderen unterscheidet. Die Flügelmuster von Heliconiushimera weisen einen deutlich höheren Anteil an schwarzem Pigment auf als diejenigen der anderen vier Arten, obwohl es auf genetischer Ebene nur geringe Unterschiede zu drei von fünf Arten gibt. Der Monarchfalter dagegen gehört zwar zu den vier äußerlich einigermaßen ähnlich aussehenden Arten, unterscheidet sich jedoch auf der genetischen Ebene hinsichtlich der Sequenz der regulatorischen Bereiche des WntA-Gens von den anderen vier Arten.
Figure 1. Abb. 1 Heliconiushimera (AdobeStock)
Figure 2. Abb. 2 Monarchfalter (Danausplexippus) (Wikimedia, gemeinfrei)
Die Autoren der Arbeit schlussfolgern ausgehend von der Evolutionslehre, dass „viele tief konservierte regulatorische Elemente“ bei allen betrachteten Edelfaltern vorhanden sind. Mit „tief konserviert“ ist hier gemeint, dass es diese Elemente bereits in einem ursprünglich vorhandenen Grundbauplan der Schmetterlinge vor ungefähr hundert Millionen Jahren gegeben haben soll. Seither sollen sie sich nicht mehr nennenswert verändert haben. Die Autoren fügen hinzu, dass die Evolution nicht so sehr durch Verlust oder Gewinn genetischer Elemente zustande kommen soll, sondern vielmehr durch „nuancierte Veränderung dieser alten multifunktionalen Grundbaupläne“ (Hervorhebung B. S.).
Es kann also festgehalten werden, dass die Variation der Flügelmuster der Edelfalter durch Mutationen in den regulatorischen Bereichen des Gens WntA verursacht werden kann. Die Autoren bezeichnen diese genetischen Elemente zugleich als sehr alt und multifunktional. Aus den Ausführungen geht jedoch nirgends hervor, wie diese genetischen Elemente entstanden sein sollen. Zudem weisen die genetischen Elemente ein hohes Maß an Funktionsdichte auf (Multifunktionalität). Gemäß der Evolutionslehre sollten komplexe biologische Strukturen jedoch eine eher späte Erscheinung sein – das Resultat eines langen Entwicklungsvorgangs. Darüber hinaus können „kleine nuancierte Veränderungen“ genetischer Elemente zwar variierende Muster erklären, nicht jedoch die Entstehung eines hochkomplexen und multifunktionalen genetischen Elements.
Langzeitlich konservierte, multifunktionale genetische Grundbaupläne sind aus Sicht der Evolutionslehre erstaunlich und unerwartet – nicht jedoch aus Sicht der Schöpfungslehre. Aus letzterer Perspektive ist es naheliegend zu erwarten, dass die Variation der Flügelmuster im Sinne eines Ausschöpfens von intelligent angelegten genetischen Programmen resultiert. Vor diesem Hintergrund ist es auch schlüssig, dass solche genetischen Module aufgrund ihrer Perfektion keiner ausgeprägten Veränderung bedürfen. Da vergleichbare Entdeckungen auch aus anderen Bereichen der Biologie bekannt sind, handelt es sich offenbar um ein regelhaftes Phänomen der Biologie.
[Mazo-Vargas A et al. (2022) Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan. Science 378, 304–308]
Schmetterlinge gehören sicherlich zu den bemerkenswertesten Insektenarten. Nicht nur ihre Metamorphose, sondern auch die vielen faszinierend schönen Flügelmuster veranlassen jeden Beobachter zum Staunen und Nachsinnen. Einigen Schmetterlingen dienen die Flügelmuster zur Abschreckung von Fressfeinden. Kürzlich haben Forschungsarbeiten an fünf verschiedenen Arten von Schmetterlingen aus der Familie der Edelfalter (Nymphalidae) ergeben, dass die Variationen ihrer Flügelmuster, die zwischen verschiedenen Arten stark übereinstimmen, auf nichtcodierenden genetischen Elementen beruhen (Mazo-Vargas et al. 2022); diese waren früher fälschlicherweise oft als genetischer „Schrott“ bezeichnet worden. Die Autoren beschreiben die Fragestellung ihrer Arbeit wie folgt: „Es ist bisher kaum verstanden, wie regulatorische genetische Architekturen zugleich tiefe Homologien [abstammungsbedingte Ähnlichkeiten] und der Anpassung dienende Veränderungen beinhalten können“ (Ergänzung B. S.). Es ging ihnen also darum zu verstehen, weshalb eine überraschend vielfältige äußerliche Variation ermöglicht wird, obwohl die zugrundeliegenden genetischen Strukturen sich kaum ändern. Welche Ursachen der Veränderung der Flügelmuster haben die Wissenschaftler herausgefunden?
Neben vergleichenden Analysen des Erbguts der fünf Falterarten wurden von Mazo-Vargas et al. systematische Knockout-Experimente an sogenannten cis-regulatorischen Bereichen des Gens WntA durchgeführt, d. h. es wurde nicht das Protein-codierende Gen an sich ausgeschaltet, sondern Bereiche, die die Aktivität des besagten Gens regulieren. WntA codiert für die Synthese eines Signalproteins, das die Ausbildung der Flügelmuster der Falter steuert. Ein Ausschalten des Gens führt dementsprechend dazu, dass die Flügelmuster nicht ausgebildet werden. Veränderungen der regulatorischen Bereiche des Gens wurden durch Entfernen von Teilen des genetischen Materials (Deletionen) mittels des Gentechnikwerkzeugs „CRISPR-Cas9 shotgun deletion“ erreicht. Das ist vergleichbar mit Schüssen aus einem Schrotgewehr auf ein Bild: Bei jedem Schuss entsteht ein anderes Muster an Löchern.
Je nachdem, welches Mutationsmuster entstand, resultierte daraus entweder der stellenweise Verlust an schwarzem Pigment oder eine Zunahme. Das führte zu einer Veränderung des Pigmentmusters auf den Flügeln im Sinne eines stellenweisen Erbleichens oder einer Ausweitung der farbigen Bereiche. Dabei hatten Mutationen Auswirkungen am ganzen Körper, sowohl in den vorderen als auch in den hinteren Flügeln. Zudem zeigten sich bei allen Arten ähnliche Auswirkungen der Mutationen auf die Flügelmuster. Unter den fünf gewählten Arten waren zwei, die sich von den anderen hinsichtlich bestimmter Eigenschaften stärker unterschieden: Heliconiushimera (Abb. 1) und der Monarchfalter (Abb. 2, ). Heliconiushimerahebt sich von den anderen durch sein dunkles Erscheinungsbild ab, während der Monarchfalter sich auf genetischer Ebene stärker von allen anderen unterscheidet. Die Flügelmuster von Heliconiushimera weisen einen deutlich höheren Anteil an schwarzem Pigment auf als diejenigen der anderen vier Arten, obwohl es auf genetischer Ebene nur geringe Unterschiede zu drei von fünf Arten gibt. Der Monarchfalter dagegen gehört zwar zu den vier äußerlich einigermaßen ähnlich aussehenden Arten, unterscheidet sich jedoch auf der genetischen Ebene hinsichtlich der Sequenz der regulatorischen Bereiche des WntA-Gens von den anderen vier Arten.
Figure 1. Abb. 1 Heliconiushimera (AdobeStock)
Figure 2. Abb. 2 Monarchfalter (Danausplexippus) (Wikimedia, gemeinfrei)
Die Autoren der Arbeit schlussfolgern ausgehend von der Evolutionslehre, dass „viele tief konservierte regulatorische Elemente“ bei allen betrachteten Edelfaltern vorhanden sind. Mit „tief konserviert“ ist hier gemeint, dass es diese Elemente bereits in einem ursprünglich vorhandenen Grundbauplan der Schmetterlinge vor ungefähr hundert Millionen Jahren gegeben haben soll. Seither sollen sie sich nicht mehr nennenswert verändert haben. Die Autoren fügen hinzu, dass die Evolution nicht so sehr durch Verlust oder Gewinn genetischer Elemente zustande kommen soll, sondern vielmehr durch „nuancierte Veränderung dieser alten multifunktionalen Grundbaupläne“ (Hervorhebung B. S.).
Es kann also festgehalten werden, dass die Variation der Flügelmuster der Edelfalter durch Mutationen in den regulatorischen Bereichen des Gens WntA verursacht werden kann. Die Autoren bezeichnen diese genetischen Elemente zugleich als sehr alt und multifunktional. Aus den Ausführungen geht jedoch nirgends hervor, wie diese genetischen Elemente entstanden sein sollen. Zudem weisen die genetischen Elemente ein hohes Maß an Funktionsdichte auf (Multifunktionalität). Gemäß der Evolutionslehre sollten komplexe biologische Strukturen jedoch eine eher späte Erscheinung sein – das Resultat eines langen Entwicklungsvorgangs. Darüber hinaus können „kleine nuancierte Veränderungen“ genetischer Elemente zwar variierende Muster erklären, nicht jedoch die Entstehung eines hochkomplexen und multifunktionalen genetischen Elements.
Langzeitlich konservierte, multifunktionale genetische Grundbaupläne sind aus Sicht der Evolutionslehre erstaunlich und unerwartet – nicht jedoch aus Sicht der Schöpfungslehre. Aus letzterer Perspektive ist es naheliegend zu erwarten, dass die Variation der Flügelmuster im Sinne eines Ausschöpfens von intelligent angelegten genetischen Programmen resultiert. Vor diesem Hintergrund ist es auch schlüssig, dass solche genetischen Module aufgrund ihrer Perfektion keiner ausgeprägten Veränderung bedürfen. Da vergleichbare Entdeckungen auch aus anderen Bereichen der Biologie bekannt sind, handelt es sich offenbar um ein regelhaftes Phänomen der Biologie.
[Mazo-Vargas A et al. (2022) Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan. Science 378, 304–308]