Kraken gehören zu den seltsamsten Lebewesen der Erde – bis hinunter auf die Ebene ihrer Moleküle. In einer neuen Studie im „ “ wurde festgestellt, dass bei Kraken einer bestimmten Abstammungslinie eine Mutation vorliegt, die in anderen Organismen nicht vorkommt und dank der ihre Zellen Proteine äußerst präzise herstellen können. Infolgedessen neigen ihre Proteine weniger dazu, sich zu toxischen Klumpen zusammenzulagern.
Es scheint, dass diese evolutionäre Neuerung etwa zu der Zeit auftrat, als die Polypen der Gattung „ “ begannen, rasch große Nervensysteme und neue, komplexe Verhaltensweisen zu entwickeln, für die ein großes Gehirn erforderlich ist – auch wenn es bislang keine direkten Beweise dafür gibt, dass diese Entwicklungen miteinander zusammenhängen. Die Ergebnisse der Forschungsgruppe wurden auf dem Preprint-Server bioRxiv veröffentlicht und werden auch in der Fachzeitschrift Current Biology erscheinen.
Alle lebenden Organismen – vom Menschen bis hin zu Bakterien – folgen bei der Proteinproduktion demselben grundlegenden Prozess. Die Zellen nutzen die in der DNA kodierten Baupläne, um die Anweisungen zum Proteinaufbau in die Stränge der Boten-RNA (mRNA) zu kopieren, die anschließend zu den Ribosomen, den Proteinfabriken der Zelle, gelangen. Die Ribosomen, die anhand des mRNA-Codes Proteine aus Aminosäuren aufbauen, bestehen selbst aus Proteinen und RNA. Darüber hinaus enthalten die Sequenzen der ribosomalen RNA (rRNA) – die 3D-Strukturen bilden, die den Proteinaufbau unterstützen – Abschnitte, die sich bei allen bekannten Arten als identisch erwiesen haben. Die rRNA-Sequenzen sind so vorhersehbar, dass viele Forscher sie als Kontrolle verwenden, um sicherzustellen, dass RNA-bezogene Experimente ordnungsgemäß ablaufen.
Genau das taten auch die Forscher aus Harvard, als sie im Rahmen eines anderen Experiments RNA der Art „ Octopus bimaculoides“ untersuchten, die in ein Agarosegel eingebettet war, und dabei eine unerwartete Lücke zwischen den rRNA-Fragmenten entdeckten. Normalerweise bildet die ribosomale RNA in solchen Gelen einen riesigen, gut sichtbaren Cluster, doch die Forscher sahen einzelne Banden. „Wir dachten zunächst, wir hätten die RNA falsch extrahiert“, sagt Nicholas Bellono, Molekularbiologe an der Harvard-Universität. Bellonos Postdoktorand Rishav Mitra führte das Phänomen auf eine Veränderung im Gen zurück, das die rRNA kodiert. Diese führt dazu, dass der Strang in zwei Fragmente zerfällt, die jedoch weiterhin zusammenwirken, sodass das Ribosom weiterhin Proteine produzieren kann.
Der Bruch erfolgt genau an einer entscheidenden Stelle im Kern des Ribosoms, an der die rRNA die richtige Aminosäure mit der entsprechenden genetischen Anweisung paart. Um herauszufinden, welche Rolle dieser Bruch spielt, haben die Forscher eine mit dem Bruch verbundene Mutation in die Bakterien Escherichia coli eingebaut. Diese Veränderung führte unerwarteterweise dazu, dass die Ribosomen von E. coli äußerst präzise arbeiteten. Beim Einbau der Aminosäuren in Proteine traten etwa 50 % weniger Fehler auf als bei den natürlichen Ribosomen der Bakterien. Die Forschungsgruppe stellte fest, dass die Ribosomen mit dem Bruch-tragenden Polypen die Translation deutlich langsamer durchführten. Ihren Beobachtungen zufolge verringert dieses hochpräzise Translationssystem die Wahrscheinlichkeit, dass fehlerhafte Proteine entstehen, die verklumpen und Probleme im Organismus verursachen können.
Die Forscher entdeckten außerdem, dass der rRNA-Bruch den Polyribosomen dabei hilft, genau jene mRNA-Sequenzen zu verarbeiten, die vor der Translation bearbeitet wurden. Es ist bekannt, dass Kopffüßer ihre mRNA viel häufiger und umfassender bearbeiten als andere Organismen. Diese Spaltung kann dem entstehenden Protein neue Funktionen verleihen – beispielsweise die Fähigkeit, auch in kaltem Wasser gut zu funktionieren –, erhöht aber gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Faltung. Die Ribosomen von Säugetieren neigen dazu, bei der Verarbeitung der bearbeiteten mRNAs „ins Stocken zu geraten“, doch die speziellen Ribosomen der Kraken wandeln diese mühelos in perfekte Proteine um.
Das Forschungsteam fand bei 15 Flachwasser-Polypenarten Hinweise auf rRNA-Brüche, jedoch bei keiner der 12 untersuchten Tiefseearten. Dies deutet darauf hin, dass diese Variation wahrscheinlich vor etwa 100 Millionen Jahren zum ersten Mal auftrat, genau zu der Zeit, als sich die Polypen in zwei Abstammungslinien mit sehr unterschiedlichen Lebensweisen aufspalteten. Die Kraken, die in flachere Gewässer zogen – in eine herausfordernde Umgebung, die durch zahlreiche Raubtiere und Konkurrenz gekennzeichnet war –, mussten lernen, zu jagen, Werkzeuge zu benutzen und Raubtieren auszuweichen. Da ihr Gehirn im Zuge der Anpassung an diese neuen Herausforderungen schnell wuchs, könnte die Fähigkeit, die Aggregation toxischer Proteine zu verhindern, ihren Nervenzellen geholfen haben, länger zu überleben und besser zu funktionieren.
Den Forschern zufolge könnten Fähigkeiten zur Verbesserung der Präzision von Proteinen auch im Bereich der Biotechnologie nützlich sein. Obwohl sich immer mehr Unternehmen mit der RNA-Bearbeitung zu therapeutischen Zwecken beschäftigen, untersuchen bislang nur wenige die Möglichkeit, Ribosomen zu verändern. Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das System durch winzige Veränderungen so feinabstimmen lässt, dass es seine Aufgabe noch präziser erfüllt.
Die Entdeckung verdeutlicht, wie wertvoll die Untersuchung von Organismen außerhalb der üblicherweise in Laboren verwendeten Modellorganismen – wie Mäusen oder Fliegen – ist, fügt Clifton Ragsdale, Biologe an der Universität Chicago mit Schwerpunkt auf Kopffüßern, hinzu. „Wenn wir auf seltsame oder ungewöhnliche Dinge stoßen, führen diese zu weiteren, potenziell interessanten Fragen, nicht nur in Bezug auf die Evolution, sondern auch auf die Funktionsweise von Zellen“, sagt er.
Die Forscher planen nun, genauer zu untersuchen, ob ein Enzym oder ein anderer Mechanismus für den Abbau der rRNA-Struktur verantwortlich ist und ob die Integration dieses Bruchs in verschiedene Arten deren Verhalten verändern oder ihnen auf andere Weise einen evolutionären Vorteil verschaffen kann. Der Krake, so Bellono, sei ein hervorragendes Beispiel für ein Tier, das neuartige Eigenschaften entwickelt, allerdings auf andere Weise, als wir es traditionell angenommen haben.
