Genduplikationen und Subfunktionalisierung als Anpassung an Herzglykoside in den Wirtspflanzen phytophager Insekten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Susanne Dobler
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere ; Evolution, Anthropologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427212984

Genduplikationen und anschließende Subfunktionalisierung spielen eine entscheidende Rolle in der Anpassung an neue Herausforderungen der Umwelt. Dies scheint insbesondere für Organismen zu gelten, die Umweltgiften ausgesetzt sind, wie dies zum Beispiel bei phytophagen Insekten der Fall ist, die in ihren Wirtspflanzen mit toxischen Sekundärstoffen konfrontiert sind. Herzglykoside sind bekannt dafür, dass sie die Na,K-ATPase blockieren, eine essentielle tierische Ionenpumpe, die für die Aufrechterhaltung von Membranpotentialen, den Antrieb sekundärer Transportmechanismen und die Wiederherstellung des axonalen Ruhepotentials verantwortlich ist. Verschiedene Insektenarten, die auf Wirtspflanzen mit Herzglykosiden spezialisiert sind, wie die Milchkrautwanze Oncopeltus fasciatus, weisen Aminosäuresubstitutionen in der Bindetasche für Herzglykoside der Na,K-ATPase alpha-Untereinheit auf. Diese Substitutionen bewirken eine drastische Verringerung der Sensitivität des Enzyms für Herzglykoside. In O. fasciatus ging diese Veränderung der Bindungsstelle mit zwei Runden von Genduplikationen der alpha-Untereinheit einher, aus denen drei Paraloge resultierten mit unterschiedlicher Resistenz gegen die Toxine und höchst wahrscheinlich stark unterschiedlichen kinetischen Eigenschaften des Enzyms. Die drei alpha-Untereinheiten müssen jeweils mit einer von vier möglichen beta-Untereinheiten dimerisieren, damit eine funktionsfähige Na,K-ATPase resultiert. Dieses Projekt will die gewebespezifische funktionelle Rolle der verschiedenen alpha-beta-Kombinationen aufklären und die Kompromisse zwischen Enzymfunktion und Resistenz gegen Herzglykoside aufdecken, indem a) die verschiedenen alpha-beta-Kombinationen in vitro exprimiert und funktionell charakterisiert werden, b) die gewebespezifisch exprimierten Na,K-ATPasen auf Proteinebene identifiziert werden, und c) die Expression der beta-Untereinheiten durch RNAi unterdrückt wird und die resultierenden Phänotypen molekular und morphologisch gescreent werden. Zusätzlich zu ihrer essentiellen Funktion als Ionenpumpe spielt die Na,K-ATPase eine wichtige Rolle in zellulären Signalkaskaden bei morphogenetischen Prozessen wie der Bildung von epithelialen Tights Junctions (bei Vertebraten) oder Septate Junctions (bei Invertebraten). Diese zusätzliche Funktion soll ebenfalls untersucht werden, um die Mechanismen zu verstehen, die der Evolution von Herzglykosidresistenz und Subfunktionalisierung der Na,K-ATPase zugrunde liegen. Ein morphologischer Screen der Tracheen und Epidermis von frisch gehäuteten Wanzen, bei denen die verschiedenen beta-Untereinheiten mittels RNAi ausgeknockt wurden, soll als erster Schritt dienen, um zu überprüfen, ob diese Funktion ebenfalls von der Anpassung an Herzglykoside betroffen ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen