Max-Planck-Forschungsgruppe Evolutionäre und integrative Physiologie
Unsere Forschungsgruppe möchte verstehen, wie Evolution als Prozess abläuft.
Dies kann eine Herausforderung sein, da der Evolutionsprozess für ein bestimmtes Merkmal nur einmal stattgefunden hat und ein einmaliges Auftreten nicht viel über die Dynamik aussagt. Daher besteht unser Ansatz darin, die unabhängige Entwicklung ähnlicher adaptiver Ergebnisse in verschiedenen Abstammungslinien zu untersuchen. Wenn man die genetischen Grundlagen eines bestimmten Merkmals kennt, kann die konvergente Evolution ein leistungsfähiges Instrument sein, um Fragen zur Dynamik des Anpassungsprozesses zu beantworten.
Die Evolution der Resistenz gegen weit verbreitete Toxine aus der Familie der kardiotonischen Steroide ist eines der am besten untersuchten Beispiele für adaptive molekulare Evolution. Hunderte von Pflanzen und Tieren auf der ganzen Welt haben eine chemische Verteidigung durch Synthese oder Sequestrierung von kardiotonischen Steroiden entwickelt. Als Reaktion darauf haben viele Pflanzenfresser und Räuber eine Resistenz gegen diese Toxine entwickelt, indem sie das Zielprotein der kardiotonischen Steroide, die Na,K-ATPase, unempfindlich gemacht haben. Diese Anpassung wurde wiederholt durch Aminosäuresubstitutionen an denselben Stellen in der Bindungstasche für kardiotonische Steroide in der Na,K-ATPase erreicht, was bemerkenswerte Muster von Konvergenz, Divergenz und Parallelität in der Evolution zeigt. Wir haben dieses Modellsystem genutzt, um wichtige Fragen über die Dynamik des Anpassungsprozesses zu beantworten.
Fragen und Methoden
Wie vorhersehbar sind Anpassungen? Wir bewerten die verfügbaren Wege, die zu kardiotonischer Steroidresistenz führen können. Obwohl diese Anpassung häufig durch Mutationen an denselben Stellen der Na,K-ATPase erreicht wird, können sich die Mutationen selbst von einer Art zur anderen unterscheiden. Es stellt sich dann die Frage, ob das Ergebnis der Mutation bei jeder Spezies einfach ein Zufallsergebnis war oder ob andere molekulare Kräfte die Zugänglichkeit dieser Ergebnisse beeinflusst haben.
Wie zugänglich sind Anpassungen? Wir testen, inwieweit die Evolutionspfade durch einen Mechanismus eingeschränkt werden, der als „intramolekulare Epistase“ bekannt ist und bei dem eine Mutation nur dann zu einer adaptiven Veränderung führt, wenn sie auf dem richtigen genetischen Hintergrund stattfindet. Eine wichtige Auswirkung der Epistase ist, dass die akkumulierte Geschichte der Mutationen in der Vergangenheit eines bestimmten Stammbaums die zulässigen Mutationen in der Zukunft beeinflussen kann. Indem wir die Auswirkungen von Mutationen auf verschiedenen genetischen Hintergründen und zu verschiedenen Zeitpunkten der Evolution bewerten, können wir herausfinden, inwieweit dieser Mechanismus die Anpassung eingeschränkt und geformt hat.
Welche Auswirkungen hat der Erwerb von Anpassungen auf andere Merkmale? Wir untersuchen, wie eine ansonsten vorteilhafte Mutation mit „negativer Pleiotropie“ verbunden sein kann - das heißt, dass adaptive Veränderungen eines Merkmals korrelierte Veränderungen anderer Merkmale verursachen können, die sich nachteilig auf die Fitness auswirken. Durch die Bewertung der Mechanismen, die es den Organismen ermöglichen, diese negativen Auswirkungen abzumildern, wie z. B. kompensatorische Mutationen und/oder Genduplikationen, untersuchen wir die Art und Weise, in der die Evolution der kardiotonischen Steroidresistenz durch diese Mechanismen geprägt wurde.