BREMERHAVEN/KÖLN: Obwohl die meisten Gene im Zellkern-Genom lokalisiert sind, halten Mitochondrien häufig stur an mindestens einer Handvoll DNA-Sequenzen fest. Unter aeroben Eukaryoten war kein Organismus bekannt, der sich von seinem mitochondrialen Erbgut ganz trennen konnte – bis jetzt.
In den Buchten der Bretagne ereignet sich regelmäßig ein grauenhaftes Schauspiel. Parasitische Algen heften sich in Scharen an Algen der Gattung Alexandrium, dringen in ihren Wirt ein und fressen ihn von innen auf. Der Parasit wächst, vermehrt sich, schlüpft schließlich aus der Hülle seines toten Wirts und zerfällt in hunderte infektiöse Dinosporen – zum Glück. Denn das vermeintliche Opfer Alexandrium produziert in Wahrheit schädliche Algenblüten und das Nervengift Saxitoxin, das sowohl für Wasserorganismen als auch den Menschen gefährlich ist und das Ökosystem belastet.
Biologen vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven und der Universität zu Köln wollten daher den parasitischen biologischen Schädlingsbekämpfer näher kennenlernen und stießen dabei auf die eigentliche Sensation der Geschichte: Die Mitochondrien des Dinoflagellaten Amoebophrya ceratii sind komplett genomfrei (Sci. Adv. 5: eaav1110). „Das war vorher bei keinem anderen aeroben Eukaryoten bekannt“, stellt der Leiter des Projektes Uwe John klar.
Dinoflagellaten sind ein polyphyletisches Taxon, das viele unterschiedliche Gattungen beinhaltet und einen großen Bestandteil des Phytoplanktons bildet. Im Zuge der Evolution haben die meisten Dinoflagellaten ihr mitochondriales Genom bereits ziemlich abgespeckt. Gerade mal drei Protein-codierende Gene und Gen-Fragmente ribosomaler RNA sind in den meisten dieser Einzeller übrig geblieben. A. ceratii scheint den letzten Schritt der Endosymbiose gewagt zu haben, und hat die Gene der insgesamt zwei Mitochondrien pro Zelle komplett entfernt beziehungsweise in den Kern verlagert. Ob sich allerdings noch DNA-Reste ohne codierende Funktion in den Zellorganellen befinden, können die Bremerhavener und Kölner Biologen nicht ausschließen: „Wir halten es allerdings für höchst unwahrscheinlich“, räumt John ein.
Für John und seine Kollegen des internationalen Forscherteams war das Ergebnis eine enorme Überraschung – und reiner Zufall. Ursprünglich wollten die Forscher das riesige Genom, das bei Dinoflagellaten normalerweise bis zu 100-mal größer ist als beim Menschen, lediglich sequenzieren, um dieses vom Erbgut des Wirtes Alexandrium unterscheiden zu können. Denn A. ceratii bevorzugt als Parasit eine Mischkultur mit seinem Wirt, was ein ziemliches Daten-Durcheinander bei DNA-Analysen verursacht.
„Als wir uns dann die Sequenzdaten von Amoebophrya angeschaut haben, konnten wir keine mitochondrialen Gene finden“, erinnert sich John. „Und das, obwohl Gene aus dem Mitochondrium durch die höhere Kopienzahl erfahrungsgemäß regelrecht herausstechen.“ Auch Seniorautor Gernot Glöckner vom Biochemischen Institut der Uni Köln hatte bei der Suche nach dem Extra-Genom in den Mitochondrien sein Bestes gegeben. „Allerdings konnte ich nur Fragmente dieser Gene im Kern finden“, berichtet er. „Interessanterweise sind diese, wie bei Eukaryoten üblich, gespleißt, haben sich also an das Kern-Genom angepasst.“ Doch vom mitochondrialen Genom fehlte weiterhin jede Spur.
Dieses Ergebnis verblüffte die Biologen um John zudem, weil sie in vorangegangenen Tests zeigen konnten, dass die Mitochondrien von A. ceratii besonders aktiv sind. „Der parasitische Dinoflagellat braucht ein gewisses Tempo, um sich an seinen viel größeren Algen-Wirt anheften zu können“, erklärt John und ergänzt: „Die dafür notwendige Energie kann der Schwärmer Amoebophrya unmöglich in Form von ATP in der Zelle speichern. Eine Art Verbrennungsmotor ist also unumgänglich.“
Von anderen Dinoflagellaten wusste man, dass teilweise nur noch drei mitochondriale Gene vorhanden sind, die allesamt für Proteine aus der Atmungskette codieren. CoxI und coxIII, die für zwei Untereinheiten der Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV) codieren, sowie cob, das für Cytochrom b, eine Untereinheit der Cytochrom-c-Reduktase (Komplex III) codiert. Das Gen für eine weitere Untereinheit der Cytochrom-c-Oxidase (coxII) haben die meisten Dinoflagellaten bereits in den Zellkern ausgelagert.
Bisher hatte man angenommen, zwei Faktoren seien dafür verantwortlich, dass in allen bisher untersuchten Organismen die drei Gene immer noch im Mitochondrien-Genom codiert sind: der hydrophobe Charakter und die Größe der Enzymuntereinheiten erschweren den Import in das Mitochondrium; die Synthese vor Ort erschien als einzige Möglichkeit. Doch die Zellen behelfen sich mit einem Trick, den John erklärt: „Sowohl das zugehörige Gen als auch das nach der Expression entstandene Protein sind fragmentiert, wodurch das Enzym leichter in das Mitochondrium gelangt und dort zusammengebaut werden kann.“ John ergänzt: „Wir vermuten, dass A. ceratii den gleichen Weg mit coxI gegangen ist.“ Denn dieses Gen konnten die Bremerhavener Biologen schließlich im Nukleus-Genom des Parasiten wiederfinden. CoxIII und cob waren hingegen weiterhin wie vom Erdboden verschluckt.
Nachdem die Gruppe über Monate mit verschiedensten Primer-Paaren sowie Such-Algorithmen immer noch kein mitochondriales Genom aufspüren konnte und auch die Reviewer keinen weiteren Einfall hatten, mussten sich John et al. geschlagen geben – oder vielmehr ihren Erfolg feiern.
„Das Schwierigste bei diesem Projekt war, zu beweisen, dass es das mitochondriale Genom in A. ceratii wirklich nicht gibt und wir es nicht nur übersehen hatten“, gibt John zu. „Es gab genug Nächte, in denen ich mir den Kopf zerbrochen und gedacht habe: ‚Mist, irgendwas stimmt hier nicht, wir müssen noch mal etwas anderes probieren.’“
Doch wie geht der Einzeller mit den fehlenden Untereinheiten um?
A. ceratii scheint eine abgewandelte Form der Atmungskette zu besitzen. Wie genau diese funktioniert, versuchen John und Co. in ihrer Publikation anhand eines anderen Organismus zu erklären. Der Dinoflagellat Chromera velia hatte nämlich bislang das kleinste bekannte mitochondriale Genom, das nur aus den beiden Genen coxI und coxIII besteht. Wir erinnern uns: In A. ceratii ist coxIII verschwunden und coxI wurde in das Zellkern-Genom verfrachtet. Das Fehlen von cob hat C. velia dadurch gelöst, dass er kurzerhand Komplex III durch die Alternative Oxidase (AOX) ersetzt hat. John et al. vermuten, dass es bei A. ceratii genauso gelaufen ist.
Weil Komplex IV in A. ceratii allerdings noch existiert, die dafür notwendige Untereinheit (coxIII) aber nicht, müssen die Dinoflagellaten auch hier eine andere Lösung gefunden haben. „In Chromera gelangen die Elektronen über alternative Donoren erst an Cytochrom c und dann weiter an den Komplex IV – und zwar über die Lactat-Dehydrogenase oder Galacto-1,4-Lacton-Dehydrogenase“, weiß John. „Ob A. ceratii das gleiche System verwendet, wissen wir noch nicht. Aber wir nehmen stark an, dass es ein ähnliches Modell wie in C. velia ist.“
Anfangs hatten John et al. vermutet, dass es sich beim im Kern-Genom lokalisierten coxI um ein sogenanntes Nuclear Mitochondrial Pseudogene (NUMT) handeln könnte. Diese mitochondrialen Restsequenzen haben keinen Nutzen und werden allmählich von der Zelle wegevolviert. „Das scheint bei coxI nicht der Fall zu sein“, ist sich John sicher und erklärt warum: „Zum einen haben wir in den beiden coxI-Gen-Fragmenten hohe Guanin- und Cytosin-Werte gefunden, die eigentlich nur zustande kommen können, wenn sich das Gen lange genug im Zellkern-Genom aufgehalten hat.“ Zum anderen fanden die Forscher Introns, die während der Expression herausgeschnitten werden.
Den Rausschmiss der Gene coxIII und cob aus dem Mitochondrium kann sich der Bremerhavener Projektleiter wie folgt erklären: „Ein Parasit wie A. ceratii muss natürlich in kürzester Zeit so viele Dinosporen wie möglich bilden können. Da könnte es für den Einzeller einfacher sein, alles von einer Zentrale, also dem Nukleus zu steuern – und sich quasi nicht noch Gedanken um die Replikation mitochondrialer Gene machen zu müssen. Darüber hinaus fällt natürlich die Notwendigkeit für den Translationsapparat, die ribosomalen RNAs, weg. Klar müssen die Mitochondrien noch dupliziert werden, aber eben nicht mehr das darin vorkommende Genom.“
Zukünftig möchten John und seine Kollegen ihre Ergebnisse und das damit ausgetüftelte Modell weiter verifizieren. Außerdem gibt es noch andere Amoebophrya-Arten, bei denen nicht klar ist, ob sie parasitisch leben und möglicherweise auch ihr Mitochondrien-Genom abgeschafft haben. „Es ist ein wahnsinnig spannendes Thema, das gerade erst begonnen hat“, schwärmt John. Für die Verifizierung des Modells sucht die Gruppe im Übrigen noch einen Proteinbiochemiker. Denn: „Wir sind an dieser Stelle mit unseren Methoden am Ende. Nun brauchen wir jemanden, der Lust und die nötige Expertise hat, um unserem Modell noch mehr auf den Zahn zu fühlen.“