Evolution of haemocyanin and its influence on thermal sensitivity in cold adapted cephalopods
Final Report Abstract
Dieses Projekt konnte zeigen, dass bodenbewohnende Antarktische Kraken einzigartige Anpassungen ihres blauen Sauerstofftransportmoleküls Hämocyanin aufweisen, um bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt zu überleben. Konkret wurde nachgewiesen, dass die Anktarktische Krake Pareledone charcoti eine unvollständig aber signifikant reduzierte Sauerstoffaffinität aufweist, die zusammen mit unerwartet hohen Hämocyaninkonzentrationen und einem hohem Gehalt an physikalisch gelöstem Sauerstoff, die Sauerstoffversorgung bei 0°C unterstützten. Im Gegensatz zu einigen hochantarktischen Fischen ist Pareledone charcoti deshalb weiterhin auf ein Sauerstofftransportprotein im Blut angewiesen. Eine hohe Temperatursensitivität der Sauerstoffbindung ermöglichte allerdings auch, dass Pareledone charcoti einen großen Teil den bei 0°C fest gebundenen Sauerstoffes bei 10°C nutzen kann. Die damit verbundene Entlastung des Blutzirkulationssystems fördert die Toleranz wärmerer Temperaturen und deutet auf die Anpassung an ein breites Temperaturspektrum (Eurythermie) von Pareledone charcoti hin. Molekulare Analysen zeigten, dass trotz eines hohen Grades an Konservierung der untersuchten Abschnitte des Blugpigmentes Hämocyanin mehrere Sequenzpositionen an der Moleküloberfläche positiver Selektion unterlagen, gekennzeichnet durch eine Verschiebung von Ladungseigenschaften. Polare Kraken zeigten dabei eine erhöhte Nettoladung der Moleküloberfläche, was darauf hinweist, dass durch elektrostatische Wechselwirkungen intrinsische pK Werte angehoben wurden, um einer De-Stabilisierung der Quartärstruktur bei erhöhtem Hämolymph-pH in kaltem Wasser entgegenzuwirken. Insgesamt konnte dieses Projekt durch die Verknüpfung funktioneller und molekularer Analysen nachweisen, dass eine unvollständige funktionelle Anpassung und eine starke Abhängigkeit von Haemocyanin bei 0°C zwar eine weitere Designlimitierung im Vergleich zu Fischen darzustellen scheint, eine „versteckte“ Sauerstoffreserve allerdings die Sauerstoffversorgung bei wärmeren Temperaturen verbessert. Dies könnte der Schlüssel sein, um in immer wärmer werdenden Gewässern zu bestehen. Die innovative Neuerung zur Messung von Bluteigenschaften mündete zudem nicht nur in einem internationalen Patent, sondern konnte auch erfolgreich an eine renommierte dänische Firma zur kommerziellen Verwertung lizensiert werden. Durch Veröffentlichungen der Ergebnisse auf internationalen Konferenzen und Fachjournalen gab es ein unerwartetes breites Medienecho, mit Interviews und Artikeln u.a. in der New York Times, National Geographic, ABC News, Der Standard, El Mundo, Die Welt, Focus, Süddeutsche Zeitung, Spektrum der Wissenschaft, Biologie in unserer Zeit u.v.m.
Publications
- 2008‚ Cephalopod haemocyanins – does form follow function?’, Biological Seminar, Università degli Studi di Padova (I), June 9th 2008
Mark, F.C.
- 2009 ESCPBnew Congress, Innsbruck, Austria. Antarctic octopod haemocyanin – does form follow function?
Mark, F.C., Lieb, B.
- 2009 ESCPBnew Congress, Innsbruck, Austria. Effects of temperature and CO2 on relative haemocyanin expression of the common cuttlefish Sepia officinalis?
Strobel, A., Lieb, B., Lucassen, M., Melzner, F., Pörtner, H.O., Mark, F.C.
- (2012) Influence of temperature and elevated seawater pCO2 on the relative expression of different haemocyanin isoforms in the common cuttlefish Sepia officinalis. J Exp Zool, 317A: 511-523
Strobel, A., Hu, M.Y., Gutowska, M.A., Lieb, B., Lucassen, M., Melzner, F., Pörtner, H.O., Mark, F. C.
- 2009 ESCPBnew Congress, Innsbruck, Austria: Cephalopod physiology – from the poles to the subtropics
Mark, F.C., Strobel, A., Oellermann, M., Thonig, A., Jäckel, G., Wolfram, K., Pörtner, H.O.
- 2012 CephRes-Onlus: Technical Experts Meeting, Vico Equense, Italy: Cephalopod haemocyanin – does (iso-)form follow function?
Mark, F.C., Strobel, A., Oellermann, M., Thonig, A., Wolfram, K., Pörtner, H.O., Lieb, B.
- (2014) A new haemocyanin in cuttlefish (Sepia officinalis) eggs: sequence analysis and relevance during ontogeny. EvoDevo 5:6
Thonig, A., Oellermann, M., Lieb, B., Mark, F.C.
(See online at https://doi.org/10.1186/2041-9139-5-6) - (2014) Cephalopods in neuroscience: Regulations, Research and the 3Rs. Invertebrate Neuroscience, 14(1):13-36
Fiorito, G., Affuso, A., Anderson, D.B., Basil, J., Bonnaud, L., Botta, G., Cole, A., D'Angelo, L., De Girolamo, P., Dennison, N., Dickel, L., Di Cosmo, A., Di Cristo, C., Gestal, C., Fonseca, R., Grasso, F., Kristiansen, T., Kuba, M., Maffucci, F., Manciocco, A., Mark, F.C., Melillo, D., Osorio, D., Palumbo, A., Perkins, K., Ponte, G., Raspa, M., Shashar, N., Smith, J., Smith, D., Sykes, A., Villanueva López, R., Tublitz, N., Zullo, L., Andrews, P.
(See online at https://doi.org/10.1007/s10158-013-0165-x) - . (2014) Simultaneous high-resolution pH and spectrophotometric recordings of oxygen binding in blood microvolumes. J Exp Biol, Methods & Techniques, 217:1430-1436
Oellermann, M., Pörtner, H.O., Mark, F.C.
(See online at https://doi.org/10.1242/jeb.092726) - 2014 11th Congress on the Biology of Fish, Edinburgh, UK: Fit For The Future: Mitochondrial Plasticity Forms The Basis For Aerobic Performance In A Changing Climate
Mark, F.C.
- 2014 11th Congress on the Biology of Fish, Edinburgh, UK: Resolving fish haemoglobin: Simultaneous pH and spectrophotometric recordings in blood microvolumes advance oxygen binding measurements
Oellermann, M., Pörtner, H.O., Mark, F.C.
- (2015) Blue blood on ice: Modulated blood oxygen transport facilitates cold adaptation and eurythermy in an Antarctic octopod. Front Zool, 12:6
Oellermann, M., Lieb, B., Pörtner, H.O., Semmens, J.M., Mark, F.C.
(See online at https://doi.org/10.1186/s12983-015-0097-x) - (2015) Positive selection in octopus haemocyanin reveals functional links to temperature adaptation. BMC Evolutionary Biology, 15:133
Oellermann, M., Strugnell, J., Lieb, B., Mark, F.C.
(See online at https://doi.org/10.1186/s12862-015-0411-4) - Guidelines for the Care and Welfare of Cephalopods in Research - A consensus based on an initiative by CephRes, FELASA and the Boyd Group. Laboratory Animals, Volume: 49 issue: 2_suppl, page(s): 1-90
Issue published: October 1, 2015
Fiorito, G., Affuso, A., Basil, J., Cole, A., de Girolamo, P., D’Angelo, L., Dickel, L., Gestal, C., Grasso, F., Kuba, M., Mark, F.C., Melillo, D., Osorio, D., Perkins, K., Ponte, G., Shashar, N., Smith, D., Smith, J., Andrews, P.L.R.
(See online at https://doi.org/10.1177/0023677215580006)
