Das Hämocyanin zweier lebender Fossilien: Nautilus pompilius und Nucula nucleus

Als erste vollständige cDNA-Sequenz eines Muschel-Hämocyanins wurde das Nucula nucleus-Hämocyanin (NnH) sequenziert. Es besteht aus den beiden Isoformen NnH1 und NnH2, die eine Identität von etwa 61 % aufweisen. Beide sind aus acht funktionellen Domänen a-h aufgebaut, von denen die C-terminale Domäne h jeweils eine Extension von etwa 100 Aminosäuren besitzt. Auf Sequenzebene weist das Muschel-Hämocyanin eine eigentümliche Deletion im Bereich der ersten Kupferbindungsstelle und eine auffällig niedrige Anzahl an potentiellen N-Glykosylierungsstellen auf. Genomische Teilsequenzen bestätigen die Konservierung der Linkerintrons in Phase und Position, was bei den internen Introns nicht zu erkennen ist. Letztere konnten in den für die Domänen NnH1-d, NnH1-e und NnH2-c codierenden Genabschnitten nachgewiesen werden. Einen neuen Aspekt lieferte das interne Intron in NnH2-c, da es nur in einer der beiden Isoformen vorkommt. Das zweite sequenzierte Hämocyanin stammt von dem „lebenden Fossil“ Nautilus pompilius (NpH). Es wurde sowohl auf cDNA- als auch auf genomischer Ebene vollständig sequenziert und besteht aus sieben funktionellen Domänen, wobei die C-terminale Domäne h fehlt. Zu seinen Eigentümlichkeiten gehört neben 13 potentiellen N-Glykosylierungsstellen, von denen sich zwei innerhalb von Linkerregionen befinden, eine Deletion im Bereich der ersten Kupferbindungsstelle von NpH-g. Neben den konservierten Linkerintrons liegt ein Intron innerhalb des Signalpeptids sowie in den Genabschnitten für NpH-a und NpH-g. Dagegen ist weder zwischen dem Signalpeptid und NpH-a noch innerhalb der 3’UTR ein Intron vorhanden. Anhand der neuen Sequenzdaten wurde eine phylogenetische Analyse durchgeführt, in der sich die funktionellen Domänen von NnH als Schwestergruppe zu den korrespondierenden Domänen der Gastropoden anordnen. Den Erwartungen entsprechend stellt sich NpH basal innerhalb der Klasse der Cephalopoden. Phylogenetische Analysen mit der vollständigen Hämocyanin-Sequenz lösen die Verwandtschaftsverhältnisse der Klassen zueinander nicht auf, was auf schnelle Radiation schließen lässt. Die Gruppierungen innerhalb der Klassen werden dagegen sehr gut unterstützt. Mittels einer Distanzmatrix wurde eine molekulare Uhr berechnet, für deren Eichpunkt die Cephalopoden-Gastropoden-Aufspaltung vor 520 Millionen Jahren gewählt wurde. Die Entstehung der Acht-Domänen-Untereinheit fand danach vor 732 (± 33) Millionen Jahren statt. Die Trennung der Gastropoda und Protobranchia erfolgte vor 494 (± 50) Millionen Jahren, was mit Fossilfunden der Nuculidae aus dem Ordovicium übereinstimmt. Vor 396 (± 55) Millionen Jahren gingen aus einer Genduplikation die beiden Isoformen des Nucula nucleus-Hämocyanins hervor. Innerhalb der Cephalopoden wurde die Trennung zwischen Nautiloidea und Coleoidea auf 415 (± 24) Millionen Jahre zurückdatiert. Nach Fossildaten liegt der Trennungszeitraum der beiden Gruppen 470 - 400 Millionen Jahre zurück, was gut zu den Hämocyanin-Daten passt.

Differentielle Expression und molekulare Evolution von Mollusken-Hämocyanin

Molekularbiologische und biochemische Untersuchungen an den zwei Gastropoden-Arten Haliotis tuberculata und Haliotis asinina zeigten, dass diese jeweils zwei unterscheidbare Hämocyanin-Isoformen (HtH1/HaH1 und HtH2/HaH2) besitzen, die in unterschiedlichen Mengen in der Hämolymphe vorkommen. In situ-Hybridisierungsversuche an H. asinina ergaben, dass die beiden Hämocyanin-Isoformen sowohl entwicklungsspezifisch als auch gewebsspezifisch exprimiert werden. Die Transkription der Hämocyanin-Gene setzt bereits 9 Stunden nach der Befruchtung ein und ist von diesem Zeitpunkt an in allen Stadien der Larvalentwicklung nachweisbar. Während dieser Entwicklungsphase sind die Expressionsmuster der beiden Isoformen weitgehend überlappend, wohingegen in adulten Tieren in verschiedenen Geweben isoformspezifische Expressionsmuster auftreten. Diese Ergebnisse deuten auf funktionelle Unterschiede der beiden Hämocyanin-Isoformen hin, und somit darauf, dass Hämocyanin neben dem Transport von Sauerstoff noch weitere Funktionen ausüben könnte (Streit et al., 2005). Weiterhin wurden Untersuchungen zur Primär- und Sekundärstruktur der Hämocyanine aus H. tuberculata und zwei weiteren Arten (Megathura crenulata und Aplysia californica) durchgeführt. Von den Vetigastropoden M. crenulata und H. tuberculata konnten die für die beiden Hämocyanin-Isoformen kodierenden cDNA-Sequenzen vervollständigt werden. Von HtH1 und HtH2 wurden zudem die Gensequenzen komplettiert. Die Sequenzen des KLH1-Gens wurden bis auf 24 bp der 5’UTR und die für das Signalpeptid 1 kodierenden 33 bp ermittelt. Erstmals ist es gelungen, Promotorsequenzen von Mollusken-Hämocyanin-Genen zu sequenzieren. Für HtH2 wurden 181 bp und für KLH2 906 bp des Promotors analysiert. Beide Gensequenzen weisen das konservierte Sequenzmotiv der TATA-Box auf. Wie bei H. tuberculata treten auch bei M. crenulata die beiden Isoformen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen in der Hämolymphe auf. In den bisher analysierten Sequenzen dieser beiden Gastropoden konnten keine regulatorischen Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Expression bedingen könnten. Die Genstruktur des Hämocyanins von A. californica konnte ebenfalls aufgeklärt werden. Die kodierenden Bereiche des AcH-Gens werden durch insgesamt 45 interne Introns fragmentiert. Im Gen liegen neun Insertionspositionen vor, in denen paraloge Introns inserieren. Zudem sind neun Introns ortholog zu internen Introns anderer Mollusken-Hämocyanin-Gene. Im Fall der paralogen und orthologen Introns handelt es sich um sehr ursprüngliche Introns, die bereits vor der Radiation der Mollusken inserierten. Damit widerlegen diese Ergebnisse die bisherige Annahme („Intron late”-Hypothese), der zufolge die Insertion interner Introns erst nach der Trennung der Gastropoden und Cephalopoden eingesetzt haben soll. Im Zuge dieser Sequenzanalysen ergaben sich zudem Hinweise auf die Existenz einer weiteren AcH-Isoform, da 13 Fragmente ermittelt wurden, die in den kodierenden Bereichen Sequenzunterschiede von bis zu 20% zu AcH 1 aufweisen. Die detaillierten Studien der Haliotis-Hämocyanine deckten einen weitreichenden phylogenetischen Informationsgehalt der Hämocyanin-Sequenzen auf. In weiterführenden Analysen wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene von 12 verschiedenen Haliotis-Arten amplifiziert. Der daraus rekonstruierte Stammbaum liefert entsprechend spezifischer Indels eine deutliche Auftrennung der Haliotidae in eine nordpazifische und eine europäischaustralasische Abstammungslinie. Anhand dieser Analyse lassen sich der phylogeographische Ursprung der Haliotiden aufzeigen (Streit et al., 2006) und deren Wanderungsbewegungen nachvollziehen. Hämocyanin-Daten wurden des Weiteren für phylogenetische Analysen auf höherem taxonomischem Niveau eingesetzt. Innerhalb der Klasse der Polyplacophoren wurden interfamiliäre Verwandtschaftsverhältnisse rekonstruiert. Für diese Analyse wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene 17 unterschiedlicher Arten ermittelt. Die phylogenetische Untersuchung zeigt, dass sich die Polyplacophoren eindeutig in die beiden Ordnungen der Lepidopleurida und Chitonida auftrennen, da die Chitonida eine spezifische „Deletion” aufweisen. Anhand dieses Merkmals kann auch Callochiton bouveti, der diese „Deletion” besitzt und dessen phylogenetische Einordnung bisweilen umstritten war, eindeutig den Chitonida zugeordnet werden. Innerhalb der Chitonida bilden sowohl die Chitonina als auch die Acanthochitonina monophyletische Gruppen.