Wie Emus und Strauße die Fähigkeit zu fliegen verloren

Evolutionäre Änderungen an der DNA, die Gene herumkommandiert, könnten einigen Vögeln das Leben gerettet haben.

Neue genetische Analysen zeigen, dass Mutationen in der regulatorischen DNA dazu geführt haben, dass Laufvögel im Laufe ihrer Evolution bis zu fünf Mal die Fähigkeit zu fliegen verloren haben, berichten Forscher in der Zeitschrift Science vom 5. April. Zu den Laufvögeln gehören Emus, Strauße, Kiwis, Rheas, Kasuare, Tinamus und die ausgestorbenen Moa- und Elefantenvögel. Nur Tinamous können fliegen.

Regulatorische DNA heißt so, weil sie regelt, wann und wo Gene an- und abgeschaltet werden. Sie enthält keine Anweisungen für die Herstellung von Proteinen. Forscher haben lange darüber debattiert, ob große evolutionäre Veränderungen, wie z. B. das Gewinnen oder Verlieren eines Merkmals wie des Fliegens, hauptsächlich durch Mutationen in den proteinhaltigen Genen, die mit dem Merkmal verbunden sind, oder hauptsächlich durch Veränderungen in der mysteriösen regulatorischen DNA verursacht werden.

Die Aufdeckung der Bedeutung der regulatorischen DNA bei der Gestaltung der Evolution könnte Aufschluss darüber geben, wie eng verwandte Arten mit den gleichen Genen, wie Schimpansen und Menschen oder Moas und Tinamus, ein völlig unterschiedliches Aussehen und Fähigkeiten entwickeln können.

Wissenschaftler neigen dazu, die Bedeutung von Veränderungen in der Proteinkodierung zu betonen, die die Evolution verschiedener Merkmale in vielen Organismen beeinflussen. Beispiele sind relativ leicht zu finden. Eine frühere Studie über flugunfähige Galápagos-Kormorane deutet darauf hin, dass Mutationen in einem einzigen Gen die Flügel der Vögel schrumpfen ließen (SN: 6/11/16, S. 11).

Im Allgemeinen sind Mutationen, die Proteine verändern, wahrscheinlich schädlicher als Veränderungen der regulatorischen DNA und daher leichter zu erkennen, sagt Camille Berthelot, Evolutionsgenetikerin am französischen nationalen medizinischen Forschungsinstitut INSERM in Paris. Ein Protein kann an vielen biologischen Prozessen im ganzen Körper beteiligt sein. „Überall, wo dieses Protein ist, wird es also Konsequenzen haben“, sagt sie.

Im Gegensatz dazu können viele DNA-Stücke an der Regulierung der Aktivität eines Gens beteiligt sein, und jedes kann nur in einem oder wenigen Gewebetypen wirken. Das verringert den Schaden, den die Veränderung eines Regulierungsabschnitts haben könnte, und macht diese DNA-Abschnitte zu leichten Zielen für die Experimente der Evolution. Gleichzeitig wird es dadurch aber auch viel schwieriger, festzustellen, wann regulatorische DNA tatsächlich an großen evolutionären Veränderungen beteiligt ist, sagt die Evolutionsgenetikerin Megan Phifer-Rixey von der Monmouth University in West Long Branch, N.J. Diese DNA-Stücke sehen nicht alle gleich aus und können sich von Art zu Art stark verändert haben.

Der Evolutionsbiologe Scott Edwards von der Harvard University und seine Kollegen umgingen dieses Problem, indem sie die genetischen Lehrbücher oder Genome von 11 Vogelarten entschlüsselten, von denen acht flugunfähig sind. Die Forscher reihten diese Genome dann neben bereits fertiggestellte Genome von Vögeln wie Straußen, Weißkehltinamis, Nordinsel-Kiwis, Kaiser- und Adéliepinguinen sowie 25 fliegenden Vogelarten.

Die Forscher suchten nach Abschnitten regulatorischer DNA, die sich im Laufe der Evolution der Vögel kaum verändert hatten, ein Hinweis darauf, dass die DNA eine wichtige Funktion erfüllt. Unter 284.001 gemeinsamen, relativ unveränderlichen Abschnitten der regulatorischen DNA fanden die Forscher 2.355, die mehr Mutationen aufwiesen als bei Laufvögeln erwartet, nicht aber bei anderen Vogelarten. Die Fülle der Mutationen deutet darauf hin, dass sich diese Teile der regulatorischen DNA schneller entwickeln als andere Teile des Genoms und möglicherweise ihre ursprünglichen Funktionen verloren haben. Die Rückverfolgung der Evolutionsbeschleunigung führte die Forscher zu dem Schluss, dass Laufvögel mindestens dreimal und möglicherweise sogar fünfmal den Flug verloren haben.

Diese regulatorischen DNA-Bits befanden sich in der Regel in der Nähe von Genen, die an der Entwicklung von Gliedmaßen beteiligt sind, was darauf hindeutet, dass sie die Genaktivität so beeinflussen könnten, dass kleinere Flügel entstehen. Das Team testete die Fähigkeit eines solchen regulatorischen DNA-Bits, eines sogenannten Enhancers, ein Gen in sich entwickelnden embryonalen Hühnerflügeln einzuschalten. Eine Version des Enhancers von Schopftintlingen – die fliegen können – schaltete das Gen ein, eine Version desselben Enhancers vom flugunfähigen Nilpferd jedoch nicht. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Veränderungen in diesem Enhancer seine Funktion bei der Flügelentwicklung deaktiviert haben und möglicherweise zur Fluglosigkeit der Nandus beigetragen haben, so die Wissenschaftler.

Eine gängige Hypothese, warum Laufvögel mit Ausnahme von Zinnamäusen flugunfähig sind, lautet, dass der Vorfahre aller Arten die Fähigkeit zu fliegen verloren hatte und Zinnamus sie später wiedererlangte. „Wir halten das einfach nicht für sehr plausibel“, sagt Edwards. Vielmehr konnte der Vorfahre der Laufvögel wahrscheinlich fliegen und Tinamous behielt diese Fähigkeit, während verwandte Vögel die Fähigkeit verloren, hauptsächlich aufgrund von Veränderungen in der regulatorischen DNA, sagt er. „Meine Vermutung ist, dass es relativ einfach ist, das Fliegen zu verlieren“, sagt er.

Abgesehen vom Vorfahren der Vögel hat sich der Flug nur wenige Male entwickelt: bei Pterosauriern, bei Fledermäusen und vielleicht ein paar Mal bei Insekten, sagt Edwards. Vögel haben den Flug mehrfach verloren. Es gibt keine bekannten Beispiele für die Wiedererlangung des Flugs, wenn er einmal verloren gegangen ist, sagt er.

Die Forscher fanden auch heraus, dass sich mehr als 200 proteinkodierende Gene schneller als erwartet bei flugunfähigen Laufvögeln entwickelten – Mutationen anhäuften -, aber diese Gene standen eher im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel als mit dem Schrumpfen der Flügel. Diese proteinkodierenden Veränderungen sind für den Verlust des Fluges nicht so wichtig wie die regulatorischen DNA-Veränderungen, so die Schlussfolgerung der Forscher.

Die Beweise überzeugen die Evolutionsbiologin Luisa Pallares von der Princeton University nicht. „Diese Arbeit spielt ein altes Spiel“, sagt sie, indem sie die regulatorischen DNA-Veränderungen gegen die proteinkodierenden für die evolutionäre Bedeutung ausspielt. „Ich persönlich sehe darin keinen Sinn.“ Beides kommt vor und kann bei der Gestaltung der Evolution gleich wichtig sein, sagt sie.