Antarktisraubfisch: Erbgut liefert Hinweise auf Kälteanpassung

Das Erbgut des Antarktisraubfischs Harpagifer antarcticus besteht aus zwei Kopien, einer von der Mutter und einer vom Vater, die sich insgesamt stark ähneln. Das zeigt eine Studie, die ein internationales Team um die Senckenberg-Forscherin Iliana Bista in der Fachzeitschrift Genome Biology veröffentlicht hat. Deutliche Unterschiede fanden die Forschenden vor allem in der Länge der Gene für Frostschutzproteine.

Das Südpolarmeer ist mit Wassertemperaturen von bis zu minus 1,9 Grad Celsius ein extremer Lebensraum. Kälte kann Eiweiße um ihre Funktion bringen; zudem kann viel gelöster Sauerstoff, wie Bista erläutert, Zellen unter zusätzlichen Stress setzen. Rund 140 Fischarten haben demnach besondere Strategien entwickelt, um dort zu überleben.

Das Erbgut in zwei Kopien gelesen

Der Antarktisraubfisch ist klein und schuppenlos. Er lebt im flachen Wasser des Südpolarmeers auf steinigem Untergrund. Er gehört zu den Notothenioiden, einer Fischgruppe mit etwa 140 Arten in acht Familien. Drei davon leben nicht in der Antarktis, fünf überwiegend hochspezialisierte Familien dagegen schon; sie heißen Cryonotothenioide. Als Modellart eignet sich H. antarcticus, weil er klein, in flachem Wasser zu finden und im Experiment gut zu handhaben ist.

Das Team sequenzierte das Erbgut mit der Nanopore-Technik von Oxford Nanopore Technologies und ergänzte sie um sogenannte Hi-C-Daten, die zeigen, wie die DNA im Zellkern räumlich angeordnet ist. Daraus entstand ein Referenzgenom, in dem die beiden Kopien, Haplotypen genannt, getrennt vorliegen. Nach Angaben der Autoren ist es das erste phasierte Genom für irgendeine Art dieser Fischgruppe.

Bei herkömmlicher Sequenzierung bleiben Unterschiede zwischen mütterlichem und väterlichem Erbgut oft verborgen. Getrennt lassen sie sich genauer untersuchen, etwa in einzelnen Gensequenzen, in eingefügten oder entfernten DNA-Abschnitten und in Regionen, in denen bestimmte Gene mehrfach vorkommen, sagt Bista. Frische Einfügungen springender Gene liegen meist nur in einer der beiden Kopien vor und fallen deshalb im Vergleich auf.

Wenig Unterschied, aber auffällige Details

Das Team war überrascht, wie stark sich die mütterliche und die väterliche Erbgutvariante insgesamt glichen. Für den Antarktischen Seehecht Dissostichus mawsoni waren nach Untersuchungen mit Genbibliotheken große Unterschiede zwischen den Haplotypen beschrieben worden, sowohl in der Größe des Bereichs als auch in der Zahl der Gene. Beim Antarktisraubfisch ist die Struktur des Frostschutz-Genbereichs in beiden Haplotypen nahezu identisch: Eine Variante enthält 17 Frostschutz-Gene, die andere 16, wobei ein Gen in der zweiten vermutlich wegen eines Assemblierungsfehlers fehlt.

Die Unterschiede liegen woanders. Die Länge der Genabschnitte für die Frostschutzproteine unterscheidet sich deutlich. Größere Frostschutz-Eiweiße können das Wachstum von Eiskristallen besonders wirksam hemmen. Darum könnten diese Unterschiede den Fischen helfen, sich an verschiedene Bedingungen in der Antarktis anzupassen, erläutert Bista. Das ist eine Vermutung der Forschenden, geprüft wurde es in der Studie nicht.

Aus dem Aufbau des Genbereichs schließen sie, dass er sich durch Verdopplungen größerer Abschnitte vergrößert hat. Dabei wurden jeweils zwei Paare der Frostschutz-Gene gleichzeitig kopiert. Ein Frostschutz-Gen ist auf einem Haplotyp durch den Verlust einer einzelnen Base funktionslos, bei einem weiteren (afgp/tlp) fehlen auf einem Haplotyp alle Exons des tlp-Anteils.

Springende Gene im Erbgut

Etwa 43 Prozent des Genoms der untersuchten Tiere setzen sich aus wiederkehrenden DNA-Stücken zusammen. Besonders häufig sind darunter LINE-L2-Transposons. Diese beweglichen Abschnitte, auch „springende Gene“ genannt, können ihre Position im Erbgut verändern oder Kopien von sich selbst erzeugen.

Im phasierten Genom suchte das Team nach solchen Elementen, die erst vor Kurzem aktiv gewesen sein könnten. Insgesamt 16.657 Einfügungen oder Entfernungen, etwa 20 Prozent aller solchen Unterschiede zwischen den beiden Haplotypen, überlappen zu mindestens 75 Prozent mit bekannten Transposons und könnten daher heterozygote Einfügungen sein. Von ihnen gehören 39,1 Prozent zur Klasse LINE-L2, 17,2 Prozent sind unbekannte LTR-Elemente und 12,4 Prozent unbekannte DNA-Transposons. Die meisten liegen zwischen Genen, 12.187 Stück, danach folgen Introns mit 4.642 und die 2.500 Basenpaare langen Randbereiche von Genen mit 2.578. Nur 23 Einfügungen betreffen kodierende Abschnitte und schalten das jeweilige Gen in einer der beiden Kopien aus.

Die Forschenden fanden Hinweise, dass sich diese Elemente in der Entwicklung antarktischer Fische phasenweise stark ausgebreitet haben. Dadurch könnten sie zur Vergrößerung des Erbguts und zur Entstehung neuer Varianten beigetragen haben. Das Team ermittelte zudem, wie schnell das Erbgut in den verschiedenen Linien wuchs. Zunächst gab es ein langsames Wachstum, das mit historischen Temperaturabfällen zusammenfiel. Es folgten linienspezifische Spitzen des Erbgutzuwachses und der Transposon-Aktivität.

Weitere Anpassungen im Erbgut

Laut den Forschenden steckt die Anpassung an die Kälte nicht allein in den Frostschutz-Genen. Das Team fand Hinweise auf Anpassungen bei Genen, die etwa oxidativen Stress abwehren, den Fett-Stoffwechsel steuern, Eiweiße richtig falten lassen und wichtige Zellfunktionen sichern. Laut Studie unterlag eine Reihe von Genen beim Entstehen der Cryonotothenioide einer diversifizierenden Selektion und erhielt neue, konservierte nicht kodierende Elemente. Die Gene hängen mit Antioxidantien und der Proteinqualitätskontrolle zusammen und könnten die Ausbreitung der Fische in der Antarktis begünstigt haben. Die Studie belegt diesen Zusammenhang nicht experimentell.

Aus dem Vergleich verschiedener Arten und der getrennten Analyse der Haplotypen schließt Bista, dass die Anpassung antarktischer Fische von mehreren zusammenwirkenden evolutionären Prozessen geprägt ist. Die Methode macht Unterschiede sichtbar, die mit herkömmlichen Verfahren möglicherweise unentdeckt geblieben wären. Der Vergleich ganzer Genome der Gruppe zeigt, dass größere Chromosomenabschnitte in ihrer Anordnung erhalten geblieben sind, mit Verschmelzungen von Chromosomen in einzelnen Gruppen.

Einordnung

Die Notothenioiden gelten als gut untersuchte Artengruppe der Antarktis und als Modell für die Anpassung des Erbguts an extreme Kälte. Eine Übersichtsarbeit im Fachblatt Annual Review of Animal Biosciences hielt 2022 fest, die Gruppe habe sich vor etwa 22 Millionen Jahren aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt, umfasse zwischen 120 und 140 Arten und stelle rund 90 Prozent der Fischbiomasse auf dem antarktischen Schelf. Laut dieser Übersicht bildete die Gruppe Merkmale aus, die in ihrer Umgebung nützlich oder erträglich sind, beim Menschen aber krankhaft wären, etwa Blutarmut, Herzvergrößerung und verminderte Knochendichte.

Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass ein starker Schub von Transposons mit einer deutlichen Vergrößerung des Erbguts der antarktischen Gruppe gegenüber den subantarktischen Verwandten einherging. Auch die Entwicklung des Antifrost-Genbereichs und der Verlust von Hämoglobin bei den Eisfischen wurden mit Transposon-Aktivität in Verbindung gebracht. Frühere Analysen des Frostschutz-Genbereichs beruhten auf Genbibliotheken oder auf einem einzelnen Haplotyp.

Eine Übersichtsarbeit in den Biological Reviews von 2018 verglich Artenschwärme in antarktischen Meeren. Sie kam bei den Notothenioiden zu dem Schluss, dass ungewöhnliche Eigenschaften die Vielfalt am besten erklärten: Chromosomeninstabilität, Schlüsselinnovationen wie Frostschutzproteine und eine Genomarchitektur, die ökologische Artbildung begünstige. Die Autoren der neuen Studie halten es für möglich, dass fortlaufende Transposon-Aktivität zur Artbildung beitragen könnte; belegt ist das nicht.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um eine Genomstudie: Das Team hat Erbgut sequenziert, zusammengesetzt und mit Genomen anderer Arten verglichen.
• Das phasierte Referenzgenom stammt von einer einzigen Art, dem Antarktisraubfisch, der Vergleich reicht dagegen über die ganze Fischgruppe.
• Die Arbeit ist in Genome Biology erschienen und damit in einer Fachzeitschrift veröffentlicht, nicht als Preprint.
• Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom hessischen Programm LOEWE und vom US-amerikanischen NCATS (NIH).
• Die Studie zeigt nicht, ob die längeren Frostschutz-Gene den Fischen tatsächlich Vorteile bringen. Das ist laut Bista eine Möglichkeit, kein Befund.

Offene Fragen

Offen ist, welche Rolle die unterschiedlich langen Frostschutz-Gene im Leben der Fische spielen. Offen ist auch, ob sich die geringe Vielfalt zwischen den beiden Kopien beim Antarktisraubfisch bei anderen Arten der Gruppe wiederfindet.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Coole Anpassung: Wie Fische im Antarktischen Ozean überleben“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 29.10.2026
• Übersichtsarbeit: Adaptations and Diversity of Antarctic Fishes: A Genomic Perspective, Annual review of animal biosciences (2022). Quelle, abgerufen am 29.10.2026
• Übersichtsarbeit: Understanding processes at the origin of species flocks with a focus on the marine Antarctic fauna, Biological reviews of the Cambridge Philosophical Society (2018). Quelle, abgerufen am 29.10.2026

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