Warum ist jeder auf Diät?

Haben Sie sich jemals gefragt, warum manche Tiere nur Fleisch essen? oder Pflanzen? Stellen Sie sich vor, Sie essen nur Salate oder rohes Antilopenfleisch für den Rest Ihres Lebens! Die Erklärung, warum Tiere bestimmte Diäten erhalten haben, ist einfach: Evolution.

Eine kürzlich von Nikolai Hecker, Virag Sharma und Michael Hiller durchgeführte Studie hat weitere Belege für Darwins Evolutionstheorie gefunden. In ihrem Beitrag "Convergent gene loss" werden metabolische und physiologische Veränderungen in Pflanzenfressern und Fleischfressern beleuchtet, um die molekularen Ursachen für die Ernährung von Säugetieren zu bestimmen. Darwins drittes Postulat lautet: „Manche Menschen sind erfolgreicher beim Überleben und Fortpflanzung als andere“ (Freeman et al. 77, 2014). Die konvergente Entwicklung bestimmter Merkmale kann durch dieses Postulat erklärt werden, und die Trends stimmen mit der Evolutionstheorie von Natural Selection überein. Die beobachteten Genverluste und die jeweiligen spezialisierten Diäten zeichnen ein Bild davon, wie die wiederholte Entwicklung von Diäten und anderen, scheinbar nicht miteinander in Zusammenhang stehenden Anpassungen zugenommen hat.

In den letzten Nachrichten wurde bei einer Reihe von Arten entdeckt, dass sie bestimmte Gene abhängig von ihren Ernährungsgewohnheiten verloren haben. Genverlust kann neue Einblicke in die Erklärung der beobachteten phänotypischen Unterschiede liefern. Diese Genverlustereignisse treten häufig als Ergebnis einer entspannten Selektion nach einer Anpassung auf und dienen somit als Mechanismus, der zur adaptiven Evolution beiträgt.

Wichtige Erkenntnisse über die Rolle von Genverlustereignissen als Anpassungsmechanismus und als "vorhersehbare Folge der phänotypischen Evolution" wurden zuvor von Dr. Virag Sharma anerkannt. Sharma und sein Team untersuchten die Bedeutung von Genverlusten für die Anpassung von Säugetieren mithilfe von Genomik und vergleichender Physiologie. Das, was sie vorfanden, brachte nachdenkliche Beweise dafür vor, wie Anpassungen entstehen (Sharma et al., 2018).

Obwohl der Mechanismus für den adaptiven Genverlust relativ einfach ist, führt der Genverlust häufig zu irreversiblen Mutationen. Sharma bietet ein Beispiel für eine Fledermaus (Abb. 1) mit Genverlusten, die die Ernährungsspezifikation bewirken und ihre Fähigkeit einschränken, zu früheren generalistischen Diäten zurückzukehren, indem Mutationen in anderen Körperbereichen induziert werden. Diese Irreversibilität impliziert, dass die Diversität der Genfunktionalität "bei generalistischen Arten bevorzugt erhalten bleibt und der Genverlust die makroevolutionären Trajektorien beeinflussen kann, indem er die phänotypische Umkehrung bei hochgradig angepassten Spezialisten behindert" (Sharma et al., 2018).

Abb. 1. Nieren- und Stoffwechselanpassungen bei frugivoren Fledermäusen. Es wurde gezeigt, dass mehrere renale Transportergene (links, rot) verloren gehen, was eine Fähigkeit darstellt, überschüssiges Wasser aus der Nahrung effizient abzuscheiden, indem die Osmolarität des Urins reduziert wird. Der Verlust von Stoffwechselgenen (rechts, rot) weist auf eine anpassungsfähige Effizienz bei der Verarbeitung zuckerhaltiger Fruchtsäfte hin. Blaue Gene stellen einen Folge-Genverlust dar, der auf die erworbene, frugivore Diät zurückzuführen ist (Sharma et al., 2018).

Die Verwendung der vergleichenden Verdauungsphysiologie hat viele Auswirkungen auf die Wissenschaft. William H. Karasov verwendete eine vergleichende Verdauungsphysiologie, um eine Vielzahl von Arten zu untersuchen. Ein wichtiges Beispiel für seine vielen Erkenntnisse ist die Untersuchung von Haussperlingen. Diese Spatzen haben die Fähigkeit, ihre Kohlenhydrateaktivität als Jugendliche mit einer hohen Kohlenhydratdiät zu regulieren, verlieren jedoch diese Fähigkeit im Erwachsenenalter. Seine Ergebnisse sind zwar nicht schlüssig, aber repräsentativ für die Tatsache, dass nicht alle physiologischen Reaktionen der Tiere auf ihre Ernährung einfach die Fitness steigern oder den Energiegewinn maximieren, sondern sie können komplexer sein (Karasov, 2013).

Die Daten von Karasov legen auch nahe, dass die mikrobielle Diversität, die in jedem Tier enthalten ist, der Schlüssel zum Verständnis der phänotypischen Eigenschaften jedes Einzelnen ist. Und weil jedes Individuum eine einzigartige Zusammensetzung der Darmflora fördert (Abb. 2), treten Unterschiede in Bezug auf die Ernährungsbedürfnisse und -gewohnheiten der Arten auf (Karasov, 2013).

Abb. 2. Variation in Bakteriengemeinschaften von Säugetieren, differenziert durch Diät und Analyse durch Analyse der Hauptkomponenten. Jede der drei Kategorien von Säugetierdiäten zeigt eine konsistente Zusammensetzung der Biome zwischen den einzelnen Arten (Karasov, 2013).

Eine Untersuchung der Darmmikroben wurde von Dr. Ruth E. Ley und einem Team anderer Wissenschaftler durchgeführt. Ihre veröffentlichten Erkenntnisse über Darmmikroben von Säugetieren und ihre Auswirkungen auf die Ko-Evolution mit ihrem Wirt beschreiben die Bedeutung von Darmmikrobiotika. „Säugetiere sind insofern metagenomisch, als sie sich nicht nur aus ihren eigenen Genkomplementen zusammensetzen, sondern auch aus all ihren zugehörigen Mikroben“ (Ley, 2018). Die Mikroben entwickeln sich gemeinsam mit ihrem Wirt. Die Gensequenzanalyse bestätigt, dass die Bakterien, die sich in jedem Individuum befinden, in hohem Maße an ihren Wirt angepasst waren (3) und sich signifikant von den an anderer Stelle gefundenen Abstammungslinien unterschieden (Ley, 2018).

Die vertikale Übertragung der elterlichen Darmgemeinschaften auf ihre Nachkommen ist daher von großem Vorteil. Neugeborene Tiere erhalten als Teil ihrer angeborenen Immunität eine vollständige Flora von Mikroben mit zuvor angepassten Merkmalen des Elternteils. Diese angepasste Flora kann somit auch die vererbbaren Ernährungswünsche berücksichtigen (Ley, 2018).

Abb. 3: Netzwerkbasierte Analyse von Bakteriengemeinschaften in ausgewählten Säugetierarten. (a) ein vereinfachtes Beispiel einer Host-Gut-Mikrobennetzstruktur. (b-e) Netzwerkdiagramme für die jeweiligen Kategorien, farbkodiert nach Ernährung (b), taxonomischer Reihenfolge (c) und Provenienz (d) (Ley, 2018).

Die Diäten von Pflanzenfressern und Fleischfressern bestehen aus verschiedenen Nährstoffzusammensetzungen. Pflanzenfresser benötigen die richtigen Mechanismen, um Zellulose und Nebenprodukte, die von Pflanzen produziert werden, ständig zu verdauen, im Gegensatz zu den zufälligen und periodischen Fütterungsmustern der meisten Fleischfresser, deren Ernährung reich an Fett und Eiweiß ist. Diese spezifischen Ernährungsmuster und begleitenden physiologischen Anpassungen haben sich bei den Arten als Folge genetischer Mutationen und lockerer Selektion, wie etwa des Genverlusts, entwickelt (Hecker, 2019).

Wie hat Heckers Team das bewiesen? Um die Gen-inaktivierenden Mutationen in jeder Spezies nachzuweisen, wurde ein systematischer Screening durchgeführt, um Genverlustdaten aus den sequenzierten Genomen zu generieren. Die Daten zum Genverlust wurden rechnerisch anhand von Sequenzalignments erstellt. Übliche Mutationen, die die Genexpression deaktivieren, umfassen vorzeitige Stopp-Codons, Frame-Shift-Mutationen oder die Deletion größerer Sequenzen. Alle diese Szenarien wurden zur Lokalisierung von Genverlustmerkmalen (4) zur weiteren Analyse verwendet (Hecker, 2019).

Abb. 4: Konvergente Genverluste bei experimentellen fleisch- und pflanzenfressenden Säugetieren. Sowohl pflanzen- als auch fleischfressende Diäten bei Säugetieren entwickelten sich mehrmals unabhängig voneinander, wie die kollektiven Genomsequenzen zeigen (Hecker, 2019).

Was haben Wissenschaftler gefunden? Eine Reihe von Säugetierarten innerhalb jeder Kategorie von Pflanzenfressern und Fleischfressern zeigte Muster wiederholter Entwicklung von Genverlusten. Es wurde festgestellt, dass Pflanzenfresser eine Vielzahl von Genen verloren haben, einschließlich der bemerkenswertesten PNLIPRP1- und SYCN-Inaktivierungen. Diese beiden Gene sind für die Produktion eines Triglyceridlipase-Inhibitors und eines Pankreas-Exocytosefaktors verantwortlich. Es wurde gefunden, dass andere Gene bei Pflanzenfressern konvergent verloren gingen, sie standen jedoch nicht in direktem Zusammenhang mit der Spezialisierung der Ernährung (Hecker, 2019).

Aber warum sind die deaktivierten PNIPRP1- und SYCN-Gene wichtig? Pflanzenfresser haben bekannterweise Diäten, die reich an Kohlenhydraten und pflanzlichen Xenobiotika sind. Das Pankreas ist direkt dafür verantwortlich, die Verdauung zu erleichtern, indem sowohl Enzyme als auch Bicarbonat aus Pankreas-Azinuszellen in den Dünndarm ausgeschieden werden. Die genomischen Screening-Methoden identifizierten einen wiederholten Genverlust sowohl für PNIPRP1 als auch für SYCN, was die Pankreas-Fähigkeiten in diesen Zellen direkt beeinflusst (Hecker, 2019).

Das SYCN-Gen ist verantwortlich für die Effizienz der Verbindungsexozytose von Zymogenen aus den Pankreas-Azinuszellen in den Dünndarm. SYCN bildet ein Granulat, das die deaktivierten Zymogene (inaktivierte Enzyme) enthält und mit der Azinuszellmembran verschmilzt, so dass eine Exozytose auftreten kann. Die Zymogene werden erst beim Eintritt in das Dünndarmlumen aktiviert. All dies bedeutet, dass die Bauchspeicheldrüse ohne die Produktion von SYCN nicht mehr effizient verdauende Enzyme für die Nahrung in den Dünndarm abgeben kann (Hecker, 2019).

Der Funktionsverlust bei der Pankreas-Enzymsekretion hängt wahrscheinlich mit den pflanzenfressenden Ernährungsgewohnheiten zusammen. Pflanzenfresser sind im Allgemeinen Grasfresser und ernähren sich täglich. Daher benötigen sie ausnahmslos eine konstante Pankreassekretionsrate. Im Gegensatz zu Fleischfressern brauchen Pflanzenfresser keine erhöhte Rate an Pankreassekreten, die durch zusammengesetzte Exozytose vermittelt werden. Pflanzenfresser können sich daher die SYCN-Expression leisten (Hecker, 2019).

PNIPRP1 kodiert für einen Triglyceridlipaseinhibitor, der das Protein PLPR1 produziert. PLPR1 ist ein kompetitiver Inhibitor der Pankreastriglyceridlipase (PTL). Die Anwesenheit von PLPR1 hemmt im Wesentlichen die Verdauung von Triglycerid (Fett), wodurch der Fettaufbau im Körper gefördert wird. Somit führt der Verlust des PNIPRP1 (Inhibitor-Gens) zu einer Erhöhung der Verdauungsfähigkeit von Triglycerid in der Nahrung. Eine erhöhte Kapazität für die Verdauung von Triglyceriden ist für pflanzenfressende Säugetiere von größter Bedeutung, deren Ernährung im Allgemeinen keine großen Mengen an Fett enthält (Hecker, 2019).

Abb. 5. Inaktivierung von Mutationen in Genen, die bei pflanzen- und fleischfressenden Säugetieren wiederholt verloren gehen. Vorteilhafte Genverluste bei pflanzenfressenden Säugetieren, die bei A und B beobachtet wurden, und fleischfressenden Säugetieren bei C-F. Aus Platzgründen wird nur eine repräsentative inaktivierende Mutation gezeigt. Pflanzenfresser werden durch blaue Schrift unterschieden, getrennt von den Fleischfressern in roter Schrift. Das Diagramm über jedem Kästchen zeigt die Exon-Intron-Kodierungsstruktur für jedes verwandte Gen (Hecker, 2019).

Was ist mit Fleischfressern? Fleischfressende Tiere zeigten eine unterschiedliche Vielfalt von wiederholten Genverlustmustern. Bei Fleischfressern wurde ein Verlust der Regulierung der Nahrungsaufnahme und der Gene für die Glukosehomöostase, des angeborenen Immunitätsgens NOX1 und der Entgiftungsgene beobachtet. Diese Genverluste sind wahrscheinlich auf die Ernährung von Fleischfressern zurückzuführen, die sich offensichtlich von der pflanzenfressenden Diät unterscheidet, indem sie aus einer fett- und eiweißreichen Diät besteht (Hecker, 2019).

INSL5 und RXFP4 arbeiten als ein Hormon-Rezeptor-Paar zusammen, das an der Regulierung des Appetits und der Glukosehomöostase beteiligt ist. Der bevorzugte Verlust dieses Paares bei Fleischfressern (Fig. 3) hat zu einem Mangel an routinemäßiger Fütterung geführt, verglichen mit den regelmäßigen Fütterungsmustern von Pflanzenfressern. INSL5 und RXFP4 wurden jedoch weiterhin mit der Glukosehomöostase in Verbindung gebracht. INSL5 ist für die Regulation der Glukoneogenese in der Leber durch seine Wechselwirkung mit dem RXFP4-Rezeptor verantwortlich, was auf eine Beteiligung des beobachteten niedrigen Kohlenhydratgehalts in der Carnivor-Diät hinweist. Bei einer signifikant niedrigen Kohlenhydratzufuhr ist die Regulierung der Glukoneogenese überflüssig, und es ist eine konstante Glukoneogenese erforderlich (Hecker, 2019).

Abb. 6. Inaktivierung von Mutationen von INSL5. Exons werden als Kästchen angezeigt, Introns als horizontale Linien. Beide Darstellungen von Exons und Introns sind proportional zu ihrer Größe. Jede Struktur visualisiert die orthologen Genmutationen in fleisch- und pflanzenfressenden Säugetieren. Ein rotes Kästchen zeigt eine Exon-Deletion an und ein graues Kästchen, in dem die Genomsequenz fehlt. Vertikale rote Linien stellen Frameshift-Löschungen dar, und blaue Linien zeigen an, dass Einfügungen oder Löschungen erhalten bleiben. Die Größe jeder Löschung oder Einfügung ist oben angegeben. Eine schwarze vertikale Linie zeigt vorzeitige Stopp-Codons an und der Triplett-Code ist oben beschriftet (Hecker, 2019).

Carnivores waren zudem durch den Verlust des NOX1-Gens für angeborene Immunität gekennzeichnet. Der Verlust dieses Gens hängt direkt mit der weniger vielfältigen Darmflora zusammen, die durch die angeborene Immunität des Säugetiers beeinflusst wird. Aufgrund der mangelnden Diversität im fleischfressenden Darm sind die antimikrobiellen Abwehrkräfte der kodierten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) nicht so notwendig wie bei pflanzenfressenden Säugetieren mit sehr unterschiedlicher Darmflora (Hecker, 2019).

Der NR1I3-Genverlust bei Fleischfressern zeigt den endgültigen konvergenten Genverlust bei repräsentativen Säugetierarten dieser Studie. Das NR1I3-Gen ist für die Entgiftung pflanzlicher Xenobiotika verantwortlich. Der Rezeptor, der von diesem Gen kodiert wird, spielt eine große Rolle im intestinalen xenobiotischen Entgiftungsweg. Aus offensichtlichen Gründen zeigen die fleischfressenden Arten einen Verlust der Expression dieses Gens höchstwahrscheinlich aufgrund ihrer geringen Exposition gegenüber pflanzlichen Xenobiotika in ihrer Ernährung (Hecker, 2019).

Also, wen interessiert das? Die Verwendung von vergleichender Genomik bei der Analyse von Veränderungen biologischer Prozesse ist der Schlüssel zum weiteren Verständnis, wie sich analoge Ernährungsspezialisierungen unabhängig und wiederholt bei Säugetieren entwickelt haben. Die von Nikolai Hecker und den anderen an diesen Studien beteiligten Wissenschaftlern entdeckten Trends des konvergenten Genverlusts bieten neuartige Einblicke in die übersehenen Auswirkungen der Ernährungsbedürfnisse und -tendenzen eines Tieres auf die Entwicklung anderer physiologischer Aspekte, die derzeitige Arten definieren.

Werke zitiert

Freeman, Scott und Jon C. Herron. Evolutionäre Analyse. Pearson Bildung, 2014.

Hecker, Nikolai, Virag Sharma und Michael Hiller. 2019. "Konvergente Genverluste beleuchten metabolische und physiologische Veränderungen in Pflanzenfressern und Fleischfressern." https://doi.org/10.1073/pnas.1818504116.

Karasov, William H. und Angela E Douglas. 2013. „Vergleichende Verdauungsphysiologie.“ Umfassende Physiologie 3 (2): 741–83. https://doi.org/10.1002/cphy.c110054.

Ley, Ruth E., Micah Hamady, Catherine Lozupone, Peter J. Turnbaugh, Rob Roy Ramey, J. Stephen Bircher, Michael L. Schlegel und andere. 2008. "Evolution von Säugetieren und ihren Mikroben im Darm". Science (New York, N.Y.) 320 (5883): 1647–51. https://doi.org/10.1126/science.1155725.

Sharma, Virag, Nikolai Hecker, Juliana G. Roscito, Leo Foerster, Björn E. Langer und Michael Hiller. 2018. „Ein Ansatz der Genomik offenbart Einblicke in die Bedeutung von Genverlusten für Anpassungen von Säugetieren.“ Nature Communications 9 (1): 1215. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03667-1.