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Der Elefantenhai hat sich in den letzten 420 Millionen Jahren kaum verändert, Das macht seine DNA-Sequenz wertvoll für den Vergleich mit anderen Wirbeltierarten.
Ein seltsam aussehender Fisch mit einer übergroßen Schnauze ist das primitivste Wirbeltier mit Kiefer, dessen Genom sequenziert wurde. Die DNA-Sequenz des Elefantenhais hilft zu erklären, warum Haie ein knorpeliges Skelett haben und wie Menschen und andere Wirbeltiere eine erworbene Immunität entwickelt haben.
Elefantenhaie (Callorhinchus milii) gehören zu einem frühen evolutionären Zweig der Knorpelfische, die als Chimären bekannt und mit Haien und Rochen verwandt sind. Sie patrouillieren in den tiefen Gewässern vor Südaustralien und Neuseeland und jagen mit ihrer markanten Schnauze nach im Sand vergrabenen Schalentieren. Obwohl Elefantenhaie nicht dafür bekannt sind, Menschen anzugreifen, tragen sie einen sieben Zentimeter langen Stachel auf ihrer Rückenflosse, der zur Verteidigung gegen Raubtiere eingesetzt wird.
Vor sechs Jahren wählten Wissenschaftler C. milii als ersten Knorpelfisch aus, der wegen seines relativ kleinen Genoms – etwa ein Drittel der Größe des menschlichen Genoms – sequenziert werden sollte. „Wir hatten schon viele Genome für Amphibien, für Vögel und für Säugetiere, aber keine für Haie“, sagt Studienautor Byrappa Venkatesh, ein Experte für vergleichende Genomik bei der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung in Singapur.
Dumbo des Meeres
Da der Elefantenhai ein frühes Kieferwirbeltier ist und sich seit dem Auftauchen der Knochenfische vor etwa 420 Millionen Jahren kaum verändert hat – und damit das sich am langsamsten entwickelnde aller bekannten Wirbeltiere ist – dient er als wichtige Basis für die vergleichende Genomik. „Wir werden dies als Referenz für die kommenden Jahre verwenden“, sagt Venkatesh. Das Genom wurde heute in Nature1 veröffentlicht.
Bislang haben die Wissenschaftler die Genome von acht Knochenfischen und zwei kieferlosen Wirbeltieren, die als Neunaugen bekannt sind, sequenziert. Haie, Rochen und Chimären unterscheiden sich von anderen kieferlosen Wirbeltieren dadurch, dass ihr Skelett hauptsächlich aus Knorpel und nicht aus Knochen besteht. Obwohl die Wissenschaftler wussten, welche Gene an der Knochenbildung beteiligt sind, war nicht klar, ob die Haie ihre Fähigkeit zur Knochenbildung verloren hatten oder ob sie sie einfach nie besaßen. Immerhin bilden Haie Knochen in ihren Zähnen und Flossenstacheln.
Die Sequenz enthüllt, dass den Mitgliedern dieser Gruppe eine einzelne Genfamilie fehlt, die den Prozess der Umwandlung von Knorpel in Knochen reguliert, und dass ein Genduplikationsereignis die Umwandlung in knochige Wirbeltiere hervorgerufen hat. Als die Forscher eines dieser Gene bei einem Zebrafisch ausschalteten, reduzierte sich dessen Fähigkeit, Knochen zu bilden, erheblich.
John Postlethwait, Entwicklungsbiologe an der University of Oregon in Eugene, nennt die Ergebnisse „erhellend“. Er erforscht antarktische Eisfische (Notothenioidei), die im Laufe der Evolution die Fähigkeit zur Knochenbildung verloren haben, und wird untersuchen, ob ihnen dieselben Gene fehlen, die im Genom des Elefantenhais fehlen.
Entwicklung der Immunität
Das Genom von C. milii hilft auch, wichtige Fragen über die Evolution der erworbenen Immunität zu beantworten, die die Grundlage für Impfungen ist und es Menschen und anderen Wirbeltieren ermöglicht, neue Krankheitserreger abzuwehren. Elefantenhaie haben Killer-T-Zellen, die Körperzellen, die von Viren infiziert wurden, direkt zerstören, aber ihnen fehlen Helfer-T-Zellen, die helfen, die gesamte Immunantwort auf eine Infektion zu regulieren. Die neuen Sequenzdaten deuten darauf hin, dass sich die erworbene Immunität in einem zweistufigen Prozess entwickelt hat und nicht, wie bisher angenommen, in einem Schritt.
Es wird nun versucht, weitere Knorpelfische zu sequenzieren, darunter den kleinen Rochen (Leucoraja erinacea) aus Nordamerika und den kleinfleckigen Katzenhai (Scyliorhinus canicula).
Igor Schneider, ein Evolutionsbiologe an der Federal University of Pará, Brasilien, der untersucht, wie sich die Gliedmaßen aus den Fischflossen entwickelt haben, ist begeistert davon, die Sequenzdaten für seine eigene Arbeit zu nutzen. „Das Genom des Elefantenhais bietet ein unschätzbares Werkzeug für vergleichende Studien“, sagt er, und er hofft, dass es ihm helfen wird, „die genetischen Schritte zum Leben an Land“ zu bestimmen.