24.07.2020 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Die Gene hinter den Superkräften der Fledermäuse

Forscher veröffentlichen die ersten sechs hochqualitativen Referenzgenome von Fledermäusen

Fledermäuse können fliegen und sich mit Hilfe von Echoortung mühelos in völliger Dunkelheit orientieren; sie überleben tödliche Krankheiten und sind erstaunlich widerstandsfähig gegenüber dem Altern und Krebs. Forscher haben nun erstmals das Erbgut von Fledermäusen nahezu vollständig entschlüsselt, das für die einzigartige Anpassung und die Superkräfte dieser Tiere verantwortlich ist.

Bat1K ist ein weltweites Konsortium von Wissenschaftlern, das sich der Sequenzierung des Erbguts jeder einzelnen der 1421 lebenden Fledermausarten widmet. Nun haben diese Wissenschaftler sechs hochpräzise Fledermausgenome erstellt und analysiert. Diese sind zehnmal vollständiger als alle bisher veröffentlichten Fledermausgenome. Damit bilden sie die Grundlage, um die einzigartigen Eigenschaften von Fledermäusen zu erforschen.

„Wir können nun besser verstehen, wie Fledermäuse Viren tolerieren, das Altern verlangsamen und Flug und Echoortung entwickelt haben. Mit diesem Wissen über die genetischen Eigenschaften der Fledermäuse lassen sich möglicherweise künftig Alterungsprozesse und Krankheiten des Menschen lindern”, sagt Emma Teeling, Hauptautorin vom University College Dublin und Mitbegründerin von Bat1K.

Die Forscher haben Fledermausgenome mit Hilfe neuester Technologien des DRESDEN-concept Genome Center (DGC) entschlüsselt. Das DGC ist eine gemeinschaftlich genutzte hochmoderne Technologieplattform in Dresden. Das Team konnte so die DNA der Fledermaus sequenzieren und neue Methoden entwickeln, um dann die einzelnen Teile in der richtigen Reihenfolge zusammenzusetzen und die vorhandenen Gene zu bestimmen.

„Mit den modernsten DNA-Sequenzierungstechnologien und neuen Computermethoden für derartige Daten haben wir 96 bis 99 Prozent jedes Fledermausgenoms auf Chromosomenebene rekonstruiert und das in einer noch nie dagewesenen Qualität. Diese ist beispielsweise mit der aktuellen Qualität des menschlichen Genoms vergleichbar – das Ergebnis von mehr als einem Jahrzehnt intensiver Bemühungen. Daher bieten diese Fledermausgenome eine hervorragende Grundlage für Experimente und evolutionäre Studien der faszinierenden Fähigkeiten und physiologischen Eigenschaften dieser Tiere“, so Eugene Myers, Hauptautor und Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik und am Zentrum für Systembiologie, Dresden, Deutschland.

Verwandtschaft der Fledermäuse

Das Team hat diese Fledermausgenome mit 42 anderen Säugetieren verglichen, um die noch strittige Frage zu beantworten, wo Fledermäuse im Stammbaum der Säugetiere angesiedelt sind. Mit Hilfe neuartiger Methoden und mit umfassenden molekularen Datensätzen fand das Team heraus, dass Fledermäuse am engsten mit einer Gruppe namens Ferungulata verwandt sind. Dazu zählen Fleischfresser (zum Beispiel Hunde, Katzen und Robben), Schuppentiere, Wale und Huftiere (Hufsäuger).

Um die genomischen Veränderungen aufzuspüren, die zu den einzigartigen Anpassungen von Fledermäusen geführt haben, hat das Team systematisch nach genetischen Unterschieden zwischen Fledermäusen und anderen Säugetieren gesucht. Dabei fanden die Forscher Regionen im Genom, die sich bei Fledermäusen anders entwickelt haben. So gingen Gene im Laufe der Evolution verloren oder es kamen neue hinzu, die die einzigartigen Eigenschaften von Fledermäusen beeinflusst haben könnten.

„Unsere Genom-weiten Suchen haben Veränderungen in den Genen des Gehörs gefunden. Diese Änderungen könnten zur Echoortung beitragen. Darüber hinaus haben wir Duplikationen von antiviralen Genen, Änderungen in Genen des Immunsystems und den Verlust von Genen entdeckt, die Entzündungen fördern. Diese Veränderungen könnten zu der außergewöhnlichen Immunität von Fledermäusen und zu deren Toleranz gegenüber Coronaviren beitragen”, erklärt Michael Hiller, Hauptautor und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, und am Zentrum für Systembiologie Dresden.

Hohe Virustoleranz

Das Team fand auch Hinweise darauf, dass sich die Fähigkeit der Fledermäuse, Viren zu tolerieren, in ihren Genomen widerspiegelt. Die hochqualitativen Genome enthielten „fossile Virensequenzen“ von einer großen Vielfalt an Viren. Dies zeigt, dass Fledermäuse schon in der Vergangenheit Virusinfektionen überlebt haben.

Die hohe Qualität der Fledermausgenome hat es dem Team erlaubt, mehrere regulatorische Regionen im Genom eindeutig zu identifizieren und experimentell zu bestätigen. Diese Regionen haben möglicherweise die wichtigsten evolutionären Entwicklungen von Fledermäusen beeinflusst.

„Mit derart vollständigen Genomen waren wir in der Lage, regulatorische Regionen zu identifizieren, die die Aktivität von den Genen kontrollieren, die für Fledermäuse einzigartig sind. Insbesondere konnten wir spezifische Fledermaus-Mikro-RNAs im Labor überprüfen, um ihre Auswirkungen auf die Genregulation zu zeigen. In der Zukunft könnten wir diese Genome dazu nutzen, um zu verstehen, wie die regulatorischen Regionen und die Epigenomik zu den außergewöhnlichen Anpassungen beigetragen haben”, so Sonja Vernes, Hauptautorin und mitbegründende Direktorin von Bat 1K, Max-Planck-Institut für Psycholinguistik, Nijmegen, Niederlande.

Dies ist aber nur der Anfang. Die verbleibenden rund 1400 lebenden Fledermausarten weisen eine unglaubliche Vielfalt in Bezug auf Ökologie, Langlebigkeit, Sinneswahrnehmung und Immunologie auf. Hinsichtlich der genetischen Grundlage dieser spektakulären Eigenschaften sind noch zahlreiche Fragen offen. Bat1K wird helfen diese Fragen beantworten, da immer mehr hochqualitative Fledermausgenome generiert werden und damit die genetische Grundlage der wunderbaren Superkräfte von Fledermäusen weiter erforscht werden kann.

  • David Jebb; "Six reference-quality genomes reveal evolution of bat adaptations"; Nature; 22 June 2020.
Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über MPI für molekulare Zellbiologie und Genetik
  • News

    Der Code der Fette

    Lipide, oder Fette, haben in unserem Körper viele Funktionen: So bilden sie Membranbarrieren, speichern Energie oder sind als Botenstoffe unterwegs und regulieren so zum Beispiel Zellwachstum und Hormonausschüttung. Viele von ihnen sind auch Biomarker für schwere Krankheiten. Bisher ist es ... mehr

    Das genetische Geheimnis des Nachtsehens

    Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Wirbeltierauges ist seine Netzhaut auf der Augeninnenseite. Überraschenderweise befinden sich die empfindlichen Teile der Fotorezeptorzellen auf der Rückseite der Netzhaut, was bedeutet, dass das Licht erst durch lebendes Nervengewebe reisen muss, b ... mehr

    Lass uns eine Zelle bauen

    Zellen sind die Grundbausteine allen Lebens. Ihr Inneres bietet eine ideale Umgebung, in der die elementaren Moleküle des Lebens interagieren können, um chemische Reaktionen stattfinden zu lassen und somit Leben ermöglichen. Die biologische Zelle ist jedoch sehr komplex, sodass es schwierig ... mehr

  • Videos

    Science Café: Die Wunderheiler - Regeneration

    Ein abgerissenes Bein wächst nach, ein abgebissener Schwanz ebenso: Der Axolotl, ein Salamander aus Mexiko, ist wie ein Wunderheiler und kann Verletzungen mit Hilfe von Regeneration selbst beheben. Der Champion der Regeneration ist der Plattwurm: Ihn kann man ihn unzählige Teile zerhacken, ... mehr

    Science Café: CRISPR/Cas

    Mit dem CRISPR/Cas-System können Gene eingefügt, entfernt und ausgeschaltet werden - punktgenau, schnell und effizient. Für die Grundlagenforschung ist das eine wichtiger Fortschritt, und auch im Bereich der Gentherapie bedeutet diese neue Technologie eine riesige Chance. Was aber, wenn die ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

    Das 1998 gegründete Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) ist eines von 80 Instituten der Max-Planck-Gesellschaft, einer unabhängigen, gemeinnützigen Forschungsorganisation in Deutschland. „Wie bilden Zellen Gewebe?“ Das MPI-CBG widmet sich in einer neuartig ... mehr

Mehr über Max-Planck-Institut für Psycholinguistik
  • News

    Neues Puzzlestück in der Autismus-Forschung

    Erkrankungen wie Autismus werden oft durch genetische Mutationen verursacht. Solche Mutationen können die Form von Proteinen verändern und beeinträchtigen dadurch ihre Funktion während der Hirnentwicklung. Die genetische Ursache von Autismus ist jedoch kompliziert, die Erkrankung lässt sich ... mehr

    Sozial durch Mama

    Junge Schimpansen, die ohne ihre leibliche Mutter aufwachsen, verfügen über eine geringere Sozialkompetenz als Artgenossen, die von der Mutter aufgezogen wurden. Forscher des Max-Planck-Instituts für Psycholinguistik in Nijmegen, Niederlande, haben beobachtet, dass sich Schimpansenwaisen zw ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für Psycholinguistik

    mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Corona-Folgen für das Erdsystem

    COVID-19 wirkt sich unmittelbar auf die Gesundheit, die Wirtschaft und das soziale Wohlergehen in unserem persönlichen Leben aus. Doch die Folgen für das gesamte Erdsystem, insbesondere solche, die sich aus den weltweit verhängten Kontaktbeschränkungen ergeben, könnten sehr viel weitreichen ... mehr

    Brüche im Erbgut

    Brüche und Umlagerungen im Erbgut können zu schweren Erkrankungen führen, selbst wenn die Gene dabei intakt bleiben. Eine zuverlässige und genaue Diagnose solcher Defekte verspricht Hi-C, eine Methode zur Analyse der dreidimensionalen Struktur von Chromosomen, die derzeit in der Klinik noch ... mehr

    Neandertaler besaßen niedrigere Schmerzschwelle

    Schmerz wird durch spezielle Nervenzellen übertragen, die aktiviert werden, wenn potenziell schädliche Einflüsse auf verschiedene Teile unseres Körpers treffen. Diese Nervenzellen verfügen über einen speziellen Ionenkanal, der eine Schlüsselrolle beim Auslösen des elektrischen Schmerzimpuls ... mehr

  • Videos

    Epigenetics - packaging artists in the cell

    Methyl attachments to histone proteins determine the degree of packing of the DNA molecule. They thereby determine whether a gene can be read or not. In this way, environment can influence the traits of an organism over generations. mehr

    Biomaterials - patent solutions from nature

    Animals and plants can produce amazing materials such as spider webs, wood or bone using only a few raw materials available. How do they achieve this? And what can engineers learn from them? mehr

    Chaperone - Faltungshelfer in der Zelle

    In der Zelle geht es manchmal zu wie beim Brezelbacken: Damit ein Protein richtig funktionieren kann muss seine Aminosäurekette in die richtige Form gebracht werden. Franz-Ulrich Hartl erforscht, wie die sogenannten Chaperone als Faltungshelfer der Proteine wirken. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr