Vollständiges Zebrafinken-Genom enthüllt verborgene Gene

Wissenschaftler gingen bislang davon aus, dass dem Zebrafinken ein Gen fehlt, das Nervenzellen bei der Kommunikation unterstützt. Tatsächlich war es die ganze Zeit vorhanden – verborgen auf einem winzigen, stark repetitiven Chromosom, das bisher niemand vollständig zusammensetzen konnte.

Indem Forschende erstmals jedes Chromosom des Vogels von einem Ende bis zum anderen entschlüsselten, entdeckten sie Tausende zuvor übersehene Gene, darunter auch dieses.

Giulio Formenti und Erich Jarvis von der Rockefeller University leiteten die Arbeit gemeinsam mit Dutzenden Mitautoren. Der Fink zählt zu den am intensivsten in den Neurowissenschaften untersuchten Tieren, weil er seinen Gesang durch Zuhören und Nachahmen erlernt – ähnlich wie Kinder sprechen lernen.

Winzige Chromosomen verhinderten die Genomassemblierung

Kein Reptil und kein Säugetier besitzt ein so kleines Genom wie ein Vogel. Ein Zebrafink trägt ungefähr eine Milliarde DNA-Bausteine, verteilt auf 40 Chromosomenpaare, von denen die meisten Paare sehr klein sind.

Diese kleinen Chromosomen sind besonders genreich und enthalten lange Abschnitte sich wiederholender DNA. Sequenziergeräte interpretieren solche Wiederholungen häufig falsch, weshalb die kleinen Chromosomen bislang nur bruchstückhaft oder gar nicht dargestellt wurden.

Giulio Formenti, Forschungsassistenzprofessor im Jarvis Lab, beantwortete Fragen von Earth.com per E-Mail.

„Frühere Assemblierungen des Zebrafinken-Genoms waren voller Lücken, sodass Forschende nie sicher sein konnten, ob ein ‚fehlendes‘ Gen oder eine Sequenz tatsächlich nicht vorhanden war oder einfach in einer dieser Lücken lag“, erklärte Formenti gegenüber Earth.com.

Die 11 kleinsten Chromosomen konnten diesmal vollständig rekonstruiert werden. Sie weisen laut Formenti „eine konsistente interne Organisation auf, die offenbar die ursprüngliche Architektur von Wirbeltiergenomen widerspiegelt“.

Forschende vervollständigten jedes Chromosom

Das erste Referenzgenom des Zebrafinken erschien 2010; nach dem Huhn war er damit der zweite sequenzierte Vogel. 2021 folgte durch das Vertebrate Genomes Project eine deutlich bessere Fassung. Vollständig war jedoch keine der beiden Versionen.

Im Vertebrate Genome Laboratory in Rockefeller verstopften wiederholt die winzigen Poren, durch welche die DNA in einem Sequenziergerät geführt wird. Das Team musste sie daher immer wieder öffnen und reinigen.

Die Wissenschaftler sequenzierten einen weiblichen Vogel sowie beide Eltern mit mehreren Arten von Sequenziermaschinen. Anschließend prüften sie die Ergebnisse manuell, Chromosom für Chromosom.

Verborgene Gene schließen Lücken im Genom

Formentis Team gewann 89,9 Millionen DNA-Bausteine zurück, die in der Version von 2021 fehlten. Das entspricht 7,8 % des Genoms.

Darin identifizierten sie 2.710 Gene, die in der alten Referenz entweder übersehen oder falsch eingeordnet worden waren. Von diesen enthalten 972 die Bauanleitung für Proteine.

Eines dieser Gene produziert ein Protein, das Nervenzellen bei der Freisetzung chemischer Signale unterstützt und für die Gehirnfunktion wichtig ist. Bislang galt es beim Zebrafinken als nicht vorhanden. Formentis Team lokalisierte es auf Chromosom 31.

Die größten Lücken betrafen das W-Chromosom, das nur weibliche Vögel besitzen. Wiederholte DNA-Abschnitte machen 83 % davon aus, und ein Drittel des Chromosoms – 11,5 Millionen DNA-Bausteine – war zuvor überhaupt nicht assembliert worden. Nun liegt es vollständig vor.

Vollständiges Zebrafinken-Genom eröffnet neue Forschung

„Jetzt können wir diese Biologie endlich direkt untersuchen, einschließlich der Genetik des vokalen Lernens, und dabei eine Referenz verwenden, die im Wesentlichen vollständig ist“, sagte Formenti.

Jarvis antwortete separat und erklärte, dass ihn besonders Gene auf den Geschlechtschromosomen Z und W interessieren. Sein Labor berichtete zuvor über eine Anreicherung von Genen auf diesen Chromosomen, die mit dem Verlust des vokalen Lernens bei Weibchen in Verbindung stehen und an die Östrogenregulation gekoppelt sind.

Diese Gene liegen nun vollständig vor, und zudem wurden neue entdeckt. Deshalb kann das Labor laut Jarvis beginnen, Geschlechtsunterschiede im Zusammenhang mit vokalem Lernen zu untersuchen.

Wissenschaftler entdeckten neue Zentromer-DNA

Jedes Chromosom besitzt eine Einschnürungsstelle, an der eine Zelle es während der Teilung erfasst und auseinanderzieht. Bei Säugetieren bindet ein Protein namens CENP-B dort an einen kurzen, spezifischen DNA-Abschnitt. Wissenschaftler gingen davon aus, dass Vögel nichts Vergleichbares besitzen.

An dieser Einschnürungsstelle findet sich auf jedem Chromosom des Zebrafinken eine Wiederholung mit 716 DNA-Bausteinen. Sie enthält Motive, die der menschlichen Bindungsstelle für CENP-B stark ähneln. In der Version von 2021 erschienen nur etwa 300 Kopien dieser Wiederholung. Formentis Team zählte mehr als 13.000 pro elterlichem Chromosomensatz.

Anschließend suchte das Team nach einem Protein, das daran binden könnte, und fand einen vielversprechenden Kandidaten. Er stammt aus derselben Familie uralter mobiler DNA-Elemente, aus der bei Säugetieren auch CENP-B hervorging. Die Modellierung seiner Struktur deutet darauf hin, dass es sich paarweise zusammenlagern und an die Wiederholung binden kann.

Jarvis, Leiter des Laboratory of Neurogenetics of Language in Rockefeller, und seine Kollegen bezeichnen dies als Möglichkeit, nicht als Ergebnis. Bisher hat niemand beobachtet, wie das Protein diese Aufgabe in einer lebenden Zelle erfüllt.

Ein weiblicher Vogel aus einer Kolonie

Der Vogel stammte aus einer in Gefangenschaft gehaltenen, teilweise ingezüchteten Kolonie. Die Anzahl der Wiederholungen, verdoppelte Abschnitte und die vorhandenen Gene könnten daher für diese Kolonie gelten, jedoch nicht für Zebrafinken insgesamt. Wildvögel und Unterarten sind nicht vertreten.

Sechs Lücken bleiben bestehen. Vier liegen auf dem Z-Chromosom, zwei befinden sich in einem Cluster wiederholter Gene, den auch das menschliche Genomprojekt 2022 nicht auflösen konnte. Das Team füllte alle sechs Stellen mit modellierten Sequenzen, statt sie direkt auszulesen.

Auch auf den normalerweise eingesetzten Polierschritt zur Korrektur kleiner Fehler verzichteten die Forschenden, da bislang niemand herausgefunden hat, wie sich ein Genom mit zwei getrennten elterlichen Kopien polieren lässt.

Fehler sind am ehesten in Abschnitten zu erwarten, die nur von einer einzigen Maschine gelesen werden konnten. Eine polierte Fassung wird derzeit erstellt.

Das noch fehlende Chromosom

Fast jeder Singvogel besitzt ein zusätzliches Chromosom, das ausschließlich in Eizellen und Spermien vorkommt und aus allen anderen Körperzellen entfernt wird. Der Zebrafink verfügt über ein großes Exemplar davon. Es ist nicht Teil dieser Assemblierung, und seine Funktion ist unbekannt.

Ob andere Vögel dieselbe Chromosomenanordnung besitzen, die das Team beim Finken beschrieb, wurde noch nicht untersucht. Um das zu klären, muss dieselbe aufwendige Arbeit bei einer weiteren Art wiederholt werden – Vogel für Vogel.

Das Genom dient bereits als öffentliche Referenz für den Zebrafinken. Das nächste Team, das es versucht, muss also nicht wieder bei null beginnen.

Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.