Cephalopoda mon Amour, Teil 2: Kluge Weichtiere mit besonderen RNAs

Nur höhere Wirbeltiere haben vergleichbare Lern- und Orientierungs-Fähigkeiten wie Oktopus, Kalmar und Co. und es liegen 550 Millionen Jahre divergenter Evolution zwischen diesen Tiergruppen. Ein Exkurs in die Weichtierhirne:

Bei einem Sommer-Meeresbio-Praktikum vor vielen Jahren am Mittelmeer wollten ich mit zwei anderen Studenten Reusen aussetzen, um zu testen, welches Futter, welche Tiere anzieht. Nach drei Tagen geringer Erfolge erkannten wir, irgendetwas muss die Dinger nachts ausräumen. Zum Teil waren dies einfache Reusen – aus ineinander gesteckten Plastikflaschen gebastelt. Wir fanden sie am nächsten Tag auseinandergenommen wieder. Was wir vermuteten: ein Oktopus hat eine sichere Nahrungsquelle entdeckt. Und tatsächlich: beim nächsten Aussetzen reckte sich uns ein Arm aus dem Wasser entgegen in dem Moment, als wir die Reuse absenken wollten. Der Räuber war entdeckt. Und ich war baff.

Immer wieder erstaunen mich die Problemlösungs- oder Camouflage-Fähigkeiten von Kopffüßern – ganz besonders, wenn man sich ihre Verwandtschaft anschaut. Schnecken und Muscheln – die taxonomischen Geschwister der Cephalopoden in der Molluskengruppe – glänzen eher nicht mit kognitiven Höheflügen geschweige denn mit einem Gehirn. Bei den Kopffüßern sind auch nicht alle Mitglieder Weichtiergenies: Der Nautilus hängt da weit hinterher in seinem Gehäuse, das dem Auftreib dient. Die Coleoidae-Gruppe zu denen die Krake, der Tintenfisch und die Kalmare gehören, besitzen ein viel größere Ansammlung von Nervenzellen bei dem auch wirklich von einem Gehirn gesprochen werden kann – auch wenn ein Großteil des Nervengewebes in den Armen zu finden ist.

Auch wenn umstritten ist, wie clever die Weichtiere wirklich sind, zum Beispiel im Vergleich zu Säugern – was heißt hier intelligent? – ist es verwunderlich, dass solche Komplexität im Verhalten und im Nervensystem in der evolutionären Geschichte dieser Tierfamilie so sprunghaft auftaucht.

Acht Arme – viel Hirnpower

Pazifischer Riesen-Oktopus Enteroctopus dofleini klebt am Aquariumfenster in Boston. Foto von Mathilde Bessert-Nettelbeck

Besonders viel Hirnpower kennen wir von Oktopoden:

  1. Der Mimic-Oktopus Thaumoctopus mimicus lebt vor Indonesien und wurde erst 2001 beschrieben – ich träume davon ihn einmal live zu sehen. Er tarnt sich als weniger genießbare Rifflebewesen und kann fünfzehn verschiedene Tiere nachahmen unter anderem eine Scholle, eine Seeschlange oder ein Feuerfisch.
    https://www.youtube.com/watch?v=t-LTWFnGmeg
  2. Ein andere Form von Intelligenz, die immer wieder bei Tieren diskutiert wird ist die Verwendung von Werkzeugen. Diese Kokusnusskrake Amphioctopus marginatus scheint zwar Material zu benutzen um sich zu tarnen und es sieht auch sehr putzig aus, aber ob das wirklich als Werkzeug-Nutzung bezeichnet werden kann, würde ich nicht unterschreiben. Das hängt immer von der Verhaltens-Definition ab.
    https://www.youtube.com/watch?v=BFda1MZ54G4
  3. Diese Doku fasst viele Versuche zur Kognition von Oktopoden zusammen – wenn auch insgesamt etwas reißerisch – und zeigt besonderes, wie gut sie Probleme lösen können und sogar Lösungen abgucken: https://www.youtube.com/watch?time_continue=9&v=_G6eH1KDl0s
  4. Oktopoden, Sepien und Kalmare beobachten auch sehr genau ihre Umgebung, passen ihre Tarnung an und senden damit zusätzlich Warnsignale: https://www.youtube.com/watch?v=pgDE2DOICuc oder hier https://www.youtube.com/watch?v=0b4tmbE5jj4 oder da
    https://www.youtube.com/watch?v=0wtLrlIKvJE .
    Es ist immer noch nicht klar, ob die Tiere willentlich die Tarnung steuern oder die Haut selbst eine gewisse Intelligenz besitzt. Beides scheint zusammenzuwirken.

Aber was ist der Ursprung dieser Flexibilität im Verhalten?

Joshua J.C. Rosenthal vom Bell Lab in Woods Hole, USA und sein Team stieß auf eine Veränderung auf Molekül-Ebene, die den coleoiden Kopffüßern von dem Nautilus und von allen anderen Tierarten unterscheidet: die Häufigkeit des sogenannten RNA-Editings. DNA-Editing ist ja gerade hoch im Kurs, um Proteine, synthetisch zu manipulieren (Über das mysteriöse Akronym CRISPR ist wohl schon jeder gestolpert). Aber bei der Transkription des DNA-Codes in Ribonucleotide der RNA, das den ersten Schritt im Herstellungsprozess von Eiweißen der Zelle darstellt, manipuliert die Zelle selbst die Bauanleitung für Proteine über das edieren des Messenger RNA-Codes. Es können so eine Vielzahl von Proteinvarianten für ein Gen entstehen und das macht Zellen besonders flexibel. Die coleoiden Cephalopoden edieren ihre RNA an besonders vielen Stellen – am meisten finden die Forscher aber im Nervengewebe. Diese Besonderheit

RNA-Editing in Nervenzellen

Rosenthal sowie Kollegen aus den USA und aus Israel sammelten in den letzten Jahren Hinweise darauf, dass sich bei Oktopus, Kalmar und Sepia Zellen nicht an den allen Organismen gemeinen DNA-Code halten: je nach Umgebung der Zellen wird die DNA auf verschiedene Weise in RNA übertragen. Wie ein Redakteur, einen Text den Anforderungen des Verlags oder der Leser anpasst, bearbeitet ein Protein namens ADAR (adenosine deaminase acting on RNA) die RNA Sequenz.

Dieses Protein ist in der Molekularbiologie ein alter Bekannter und das RNA-Editing findet auch beim Menschen statt: ADAR bindet an bestimmten Stellen in der RNA und bewirkt ein Reaktion an einzelnen Nukleotiden (eine Desaminierung – Adenosin wird zu Inosin), wodurch nach weiterer Verarbeitung der RNA in der Zelle die Sequenz der RNA so verändert wird, dass sie nicht mehr der ursprünglichen DNA-Sequenz entspricht: Die RNAs sind zum Teil verkürzt oder es fehlen Abschnitte. “Beim Menschen ist aber die Hauptfunktion dieses Proteins wahrscheinlich RNA als „Selbst“ zu markieren und sie von Virus-RNA zu unterscheiden”, erklärt Rosenthal.

Er sowie Eli Eisenberg von der Tel Aviv University und seine Kollegen zeigten zuletzt in einem Paper in Cell, dass im April 2017 erschien, dass die RNA-Varianten, die ADAR produziert, in Proteine umgewandelte werden und das insbesondere im Nervensystem.

Zum ersten Mal beschrieb Robert Benne 1986 das Phänomen RNA-Editing in Trypanosomen, den Erregern der Schlafkrankheit. Beim Menschen gibt es einige RNA-Editing-Stellen auch in codierenden Regionen, Bereiche im Genom, die tatsächlich auch von der Zelle in Messenger RNA und dann in Proteine umgesetzt werden.

Dass unterschiedliche Enzyme aus solchen Edierungsvarianten auch beim Menschen entstehen, kennt man von Proteinen wie dem Apolipoprotein B, dass je nach Gewebe in edierter und nicht-edierter Form vorkommt: bei einem weiteren Verarbeitungsvorgang der RNA, dem Splicen, bei dem nicht-codierende Elemente aus der RNA herausgeschnitten werden, kann eine Veränderung der RNA-Sequenz dazu führen, das woanders geschnitten wird: So entsteht dann die kürzere Variante von ApoB durch Editing. Aber auch im Nervensystem kommen Proteine in unterschiedlichen Edierungs-Varianten vor: Zum Beispiel Glycin oder Serotonin-Rezeptoren – die bei der Weiterleitung von Signalen an Synapsen eine große Rolle spielen. Die Regulierung dieser Varianten scheinen sowohl eine Rolle bei der Entwicklung des Gehirns, als auch bei der Entstehung von Krankheiten zu spielen. Die Erforschung des RNA-Editing ist noch in den Kinderschuhen und birgt in den nächsten Jahren bestimmt noch einige Überraschungen.

Das flexible Transkriptom geht auf Kosten der Evolution

Beim Menschen bleiben die Editing-Stellen im Genom, die wirklich einen Effekt auf Proteine haben, in der Minderheit. Außerdem scheinen die wenigsten Stellen bei Säugetieren ein Resultat der Evolution zu sein, also eine Anpassung an einen selektiven Druck darzustellen. Anders bei den Kopffüßern: In verwandten Arten finden sich die gleichen Edierungs-Stellen – ein Zeichen für positive Selektion. Die Menge an Editing-Stationen in der DNA des Nervensystems ist erstaunlich hoch: Es findet sich mindestens eine edierte Stelle pro Messenger RNA. Doch was bedeutet das für die Wirkung natürlicher Selektion auf dieses Genom? Damit ADAR wirken kann, braucht es einen komplexen molekularen Apparat der nur an ganz bestimmten RNA Strukturen binden kann. Rosenthal und seine Kollegen fanden in der Studie von 2017, dass um diese Strukturen herum besonders wenig Mutationen in der DNA auftreteten. Nur diese sind nun mal die Voraussetzung dafür, dass die natürliche Selektion wirken kann, da sie eine Variation in der Ausprägung von Merkmalen bewirken. Keine Variation – keine Selektion. Daher scheint ein vielseitiges Transkriptom einen Preis zu haben: Die Mechanismen der Evolution wirken nicht mehr so stark.

Könnte das besondere Maß an Anpassungsfähigkeit der Transkripte der Hirn-DNA auch die cognitive Flexibiltät der coleoiden Cephalopoden erklären? Rosenthal hatte schon 2012 gezeigt, dass Kalium-Kanäle ediert werden in Anpassung an Temperatur. Einige Varianten des Proteins, welches für die Nervenübertragung wichtig ist, scheinen besser bei Kälte zu funktionieren: Wie wenn wir von Sommer- auf Winterreifen umsteigen, stellt wahrscheinlich die Krake in kalten Gewässern auf die winterharte Variante um. Bisher konnte Rosenthal den Temperatur-Effekt nur zwischen verwandten Oktopus-Arten nachweisen, die in unterschiedlich warmen Gewässern leben. Ob nun ein Tier auch im Laufe des Lebens seine Editierung an die Kälte anpasst, ist noch unklar aber wahrscheinlich: In Fruchtfliegen konnte dieser Effekt schon nachgewiesen werden. Daher könnte es sein, das dieses vielseitige Proteom zum Beispiel die Lernfähigkeit der Tiere stark verbessert hat. Das lässt sich aber nur vermuten. Sicher ist es bisher nur eine Korrelation: Nautilus und Oktopus unterscheiden sich in Hirnleistung und RNA-Editing im Nervensystem. Dass ein kausaler Zusammenhang besteht, klingt zwar logisch, muss aber noch nachgewiesen werden.

Flexibilität im Verhalten lässt sich nicht ausschließlich auf molekulare Mechanismen herunterbrechen: die spezifische Verschaltungen von Zellen und auch die Entwicklung spezialisierte Nerven-Netzwerke, die zum Beispiel Erinnerungen speichern, innerhalb eines zentralisierten Nervensystem sind wichtige Schritte in der Evolution der Oktopoden gewesen. Was die Forschung an diesen Tieren so spannend macht, ist, dass die Evolution hier einen anderen Weg ging, um ähnliche Fähigkeiten, wie die der Säugetiere zu produzieren.  Jennifer Mather, eine Oktopus-Forscherin an der University of Lethbridge in Alberta, Canada sagte dazu in einem Interview im Scientific American 2009: “(…) we talk about mammalian intelligence evolving in social situations, but clearly the octopus, a solitary organism, has evolved intelligence to solve ecological problems.”.

Quellen:

S, Alon, Garrett Sc, Levanon Ey, Olson S, Graveley Br, Rosenthal Jj, and Eisenberg E. “The Majority of Transcripts in the Squid Nervous System Are Extensively Recoded by A-to-I RNA Editing.” eLife, eLife 4, 4 (2015). doi:10.7554/eLife.05198, 10.7554/eLife.05198.

Garrett, Sandra, and Joshua J.C. Rosenthal. “RNA Editing Underlies Temperature Adaptation in K+ Channels from Polar Octopuses.” Science (New York, N.Y.) 335, no. 6070 (February 17, 2012): 848–51. doi:10.1126/science.1212795.

Liscovitch-Brauer, Noa, Shahar Alon, Hagit T. Porath, Boaz Elstein, Ron Unger, Tamar Ziv, Arie Admon, Erez Y. Levanon, Joshua J. C. Rosenthal, and Eli Eisenberg. “Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods.” Cell 169, no. 2 (April 6, 2017): 191–202.e11. doi:10.1016/j.cell.2017.03.025.

Meier, Jochen C., Svenja Kankowski, Heinz Krestel, and Florian Hetsch. “RNA Editing-Systemic Relevance and Clue to Disease Mechanisms?” Frontiers in Molecular Neuroscience 9 (2016): 124. doi:10.3389/fnmol.2016.00124.

Rieder, Leila E, Yiannis A Savva, Matthew A Reyna, Yao-Jen Chang, Jacquelyn S Dorsky, Ali Rezaei, and Robert A Reenan. “Dynamic Response of RNA Editing to Temperature in Drosophila.” BMC Biology 13 (January 3, 2015). doi:10.1186/s12915-014-0111-3.

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Mit einem Diplom in Biologie in der Tasche, einer halben Doktorarbeit und viele Ideen will ich meinen Senf dazugeben. Meine irrsinnige Begeisterung für Lebewesen und des Lebens Wesen, möchte ich weitervermitteln. Und das an JEDEN. Jeder soll wissen, wie unglaublich Grottenolme sind und warum auch Gliazellen unserer Aufmerksamkeit bedürfen, dass Ratten nicht nur ekelig sind und die heimische Topfpflanze vielleicht bald schon die Nachttischlampe ersetzt. In Tübingen habe ich studiert, in Bern der Forschung den Rücken gekehrt. In Berlin bin ich nun auf der Suche nach Alternativen im Feld der Biologie und Kommunikation. Ganz besonders nach meinem Geschmack sind verrückte, unglaubliche oder einfach nur lustige Geschichten aus Ökologie, Evolution, Medizin und Technik. Schmeckt euch der Senf? Sonst mischt doch mal mit! Mathilde Bessert-Nettelbeck

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