Jedes Jahr im Herbst benutzen Millionen Monarchfalter im Osten der Vereinigten Staaten einen zeitkompensierten Sonnenkompass, um nach Süden zu navigieren und bis zu 2.000 Meilen (ca. 3.200 Kilometer) an einen Überwinterungsort in einem bestimmten Tannenhain in Zentralmexiko zu fliegen. Wissenschaftler waren lange Zeit fasziniert von den biologischen Mechanismen, die es nachfolgenden Generationen dieser grazilen Kreaturen erlauben, eine solch große Distanz zu einer kleinen Region mit einer Fläche von 300 Quadratmeilen (ca. 775 Quadratkilometer) zurückzulegen. Um die genetischen und regulativen Elemente zu entschlüsseln, die wichtig für diese bemerkenswerte Reise sind, haben Neurobiologen von der Medical School der University of Massachusetts (UMMS) erstmals das Genom des Monarchfalters sequenziert und analysiert.
“Wandernde Monarchfalter sind mindestens zwei Generationen von den Faltern entfernt, welche die Reise im vorangegangenen Herbst gemacht haben”, sagte Steven M. Reppert, Inhaber des Lehrstuhls für Neurobiologie und Senior-Autor der Studie. “Sie waren nie zuvor an den Überwinterungsorten und haben keine Verwandten, denen sie folgen können. Dem Migrationsverhalten der Schmetterlinge muss ein genetisches Programm zugrunde liegen. Wir wollen wissen, was dieses Programm ist und wie es funktioniert.”
Den Zusammenhang zwischen den Genen, dem Verhalten und den physiologischen Anpassungen der Monarchfalter zu verstehen, könnte auch zu neuen Einblicken in vergleichbare Verbindungen bei Menschen führen. Die innere Uhr (zirkadianer Rhythmus) ist beispielsweise eine entscheidende Komponente im komplexen zeitkompensierten Sonnenkompass-System, das die Fähigkeit des Monarchfalters steuert, über lange Distanzen zu navigieren und sie spielt eine Schlüsselrolle in der menschlichen Biologie. Temporale Veränderungen in den Hormonspiegeln, Pharmakokinetik und Krankheitsprozesse wie die erhöhte Wahrscheinlichkeit für Herzattacken am frühen Morgen enthüllen den starken Einfluss der inneren Uhr auf die menschliche Physiologie. Die molekularen Mechanismen der inneren Uhr zu verstehen, hat bereits dabei geholfen zu erklären, wie Genmutationen zu Schlafstörungen beitragen und neue Einblicke könnten offenbaren, wie Genmutationen ihren Teil zu Krankheiten wie Depressionen und Winterdepression beisteuern.
In einer im Journal Cell veröffentlichten Studie beschreiben Dr. Reppert und seine Kollegen Dr. Shuai Zhan und Dr. Christine Merlin von der UMMS zusammen mit Dr. Jeffrey L. Boor, CEO von Genome Project Solutions, wie Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation verwendet wurde, um ein 273MB großes Genom des Monarchfalters zu erzeugen. Die Analyse des genetischen Aufbaus offenbarte eine geschätzte Menge von 16.866 Protein-codierenden Genen, die mehrere Genfamilien umfassen, welche wahrscheinlich an wichtigen Aspekten der saisonalen Wanderung des Monarchfalters beteiligt sind. Die von Reppert und seinen Kollegen beobachteten neuen Einblicke in das sequenzierte Genom des Monarchfalters beinhalten:
- die Identifizierung von Genen, die an dem visuellen Input und der zentralen Weiterverarbeitung durch den Sonnenkompass beteiligt sind
- eine vollständige Auflistung der molekularen Komponenten für die innere Uhr des Monarchfalters
- alle Mitglieder des biosynthetischen Hormonpfades, dessen Regulierung für eine erfolgreiche Wanderung entscheidend ist und der ein ungewöhnliches Regulierungsmuster zeigt
- zusätzliche molekulare Signaturen des orientierten Flugverhaltens
- Monarchfalter-spezifische Erweiterungen der Geruchsrezeptoren, die möglicherweise wichtig für die Wanderung über weite Distanzen sind
- eine Variante der Natrium/Kalium-Pumpe, die einen wertvollen chemischen Verteidigungsmechanismus unterstützt, um während der Wanderung Räuber abzuwehren
“Warum eine weitere Spezies sequenzieren?”, sagte Dr. Laurie Tompkins, die Fördergelder mit dem Schwerpunkt Verhaltensgenetik am National Institutes of Health’s National Institute of General Medical Sciences zuteilt, das die Studie unterstützte. “In diesem Fall ist es, weil Monarchfalter außergewöhnlich sind, da sie saisonal tausende Meilen weit wandern. Die Gensequenzierung liefert das Rohmaterial zum Verständnis des bemerkenswerten Verhaltens und der physiologischen Anpassungen, welche die langen Wanderungen der Schmetterlinge ermöglichen.”
Die grundlegenden Prozesse im Gehirn, die auch bei den Navigationsmechanismen für Langstreckenwanderungen eingesetzt werden, sind schwierig zu entschlüsseln”, sagte Reppert. “Die genetische Basis für Langstrecken-Migration in Monarchfaltern zu analysieren, könnte uns dabei helfen, diese Mechanismen nicht nur bei Monarchfaltern zu verstehen, sondern allgemein auch bei anderen wandernden Tieren, darunter Zugvögel und Meeresschildkröten.”
Dieses Projekt wurde mit Fördergeldern des American Recovery and Reinvestment Act vom National Institute of General Medical Sciences unterstützt und wurde mit Hilfe der Familie Higgins in die Wege geleitet.
(THK)
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