Über die Rolle der Pleiotropie in komplexen Umgebungen

Wenn Gene täuschen: Eine Studie der Veterinärmedizinischen Universität Wien beschäftigte sich damit, warum Fliegen im Labor auf unterschiedlichen Wegen zum gleichen Ziel kommen. Die Forschenden konnten zeigen, dass sich das Erbgut von Taufliegen bei der Anpassung an unterschiedliche Temperaturen völlig verschieden verändert – obwohl am Ende bei allen Tieren derselbe Fitnessgewinn steht.

Der Grund hierfür ist ein bislang unterschätzter genetischer Effekt namens Pleiotropie.

Wenn sich Populationen an neue Umweltbedingungen anpassen, gehen Forschende meist davon aus, dass, wenn sich im Erbgut vieler Individuen dieselbe Stelle in dieselbe Richtung ändert, dann muss diese Stelle für die Anpassung an genau diese Umweltbedingung verantwortlich sein. Ein Team um Christian Schlötterer von der Unit für Populationsgenetik der Vetmeduni zeigt nun in einer aktuellen Studie, dass dieser naheliegende Schluss in die Irre führen kann.

Zwei Temperaturregime, ein überraschendes Ergebnis

Die Forschenden ließen Populationen der Taufliege Drosophila simulans über mehr als 160 Generationen im Labor unter zwei verschiedenen Temperaturbedingungen leben. Eine Gruppe wurde bei konstant 23 °C gehalten. Die andere bei schwankenden Temperaturen zwischen 18 und 28 °C – mit demselben Temperaturmittel wie die erste Gruppe. Beide Szenarien simulieren typische Herausforderungen, denen sich Tiere in freier Wildbahn stellen müssen.

Ein Blick ins Erbgut zeigte ein klares Muster. So waren 93 Prozent jener Genorte, die sich im Lauf der Anpassung deutlich veränderten, jeweils nur in einer der beiden Temperaturgruppen zu finden. Alles deutete somit auf eine maßgeschneiderte, temperaturspezifische Anpassung hin.

Die Messung der tatsächlichen Fitness der Fliegen erzählte jedoch eine andere Geschichte. Unabhängig davon, bei welcher Temperatur sie sich entwickelt hatten, legten beide Gruppen einen nahezu identischen Fitnesszuwachs gegenüber ihren Vorfahren hin. Und das unabhängig davon, bei welcher Temperatur ihre Fitness gemessen wurde.

Pleiotropie als Erklärung

Wie passen ein derart unterschiedliches genetisches Muster und ein derart ähnliches phänotypisches Ergebnis zusammen? Mithilfe von Computersimulationen konnte das Team zeigen, dass ein Phänomen namens Pleiotropie die Lösung des Rätsels sein dürfte. Dabei beeinflusst ein und dasselbe Gen mehrere unterschiedliche Merkmale gleichzeitig. Da die beiden Fliegengruppen zwar denselben grundlegenden Anpassungsdruck durch die neue Laborumgebung teilten, sich aber in der Temperatur unterschieden, konnten scheinbar temperaturspezifische Genveränderungen entstehen, obwohl der eigentlich treibende Faktor hinter der Fitnesssteigerung ein gemeinsamer war.

„Wenn man nur die Genetik betrachtet, könnte man leicht annehmen, hier hätten sich zwei völlig unterschiedliche Anpassungsstrategien entwickelt”, erklärt Christian Schlötterer. „Die Fitnessmessungen zeigen aber, dass beide Fliegengruppen im Grunde dasselbe Problem gelöst haben – nur eben mit unterschiedlichen genetischen Werkzeugen.”

Bedeutung für die Forschung

Die Ergebnisse haben Bedeutung weit über die Fliegenforschung hinaus. Viele Studien zur Anpassung von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen an ihre Umwelt – etwa im Zuge des Klimawandels – stützen sich auf den Vergleich von Erbgutveränderungen zwischen Populationen aus unterschiedlichen Lebensräumen. Die neue Studie mahnt zur Vorsicht bei der Interpretation solcher genetischer Unterschiede. Nicht jedes Muster im Erbgut lässt sich eins zu eins auf einen bestimmten Umweltfaktor zurückführen, wenn Organismen gleichzeitig mehreren Belastungen ausgesetzt sind.

Die Studie wurde in Zusammenarbeit von Christian Schlötterer mit Changyi Xiao, Sara Duarri-Redondo, Yiwen Chen und Viola Nolte durchgeführt und ist Teil der Forschung an der Unit für Populationsgenetik der Vetmeduni.