Molekulare Grundlagen der Magnetfeldwahrnehmung bei Fischen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gabriele Gerlach
• Fachliche Zuordnung: Biologie des Verhaltens und der Sinne
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530759521

Im Meer sind Millionen von Fischen auf Wanderungen, um in oft weit entfernten Gebiete Habitate zur Fortpflanzung, Ernährung und Ansiedlung zu finden. Im Meer zu wandern ist gefährlich, denn komplexe Strömungen, und die damit verbundene Verdriftungsgefahr erschweren die Orientierung. Dennoch erreichen Fische selbst nach einer langen Wanderung oft ihr Ziel, zum Beispiel ihren Geburtsort. Neben olfaktorischen, akustischen und visuellen Signalen nutzen Fische auch die Magnetfeldwahrnehmung, über die wir Menschen nicht verfügen. Während die Magnetrezeption an sich unumstritten ist, und in den letzten Jahren große Fortschritte bei deren Erforschung beispielsweise bei Vögeln erzielt werden konnten, sind die Mechanismen, wie Fische Veränderungen im Magnetfeld wahrnehmen können, noch nicht verstanden. Bei Vögeln wird angenommen, dass das Protein Cryptochrom 4 in den Sehrezeptoren der Netzhaut für die Magnetfeldwahrnehmung entscheidend ist. Bei Knochenfischen werden zwei Haupt-Mechanismen diskutiert: die Wahrnehmung des Magnetfeldes über Eisenkristalle (Magnetite) und die Cryptochrom-basierte Magnetorezeption. Hier, möchten wir untersuchen, ob und welche Rolle Cryptochrom-Proteine bei der Magnetrezeption der Fische spielen. Für eine den Vögeln entsprechende Magnetfeldwahrnehmung müsste das Cryptochrom-Protein über ein Flavin Adenin Dinukleotid (FAD)-Bindungsmotiv und 3 – 4 Tryptophane verfügen. Unsere Voruntersuchungen zeigen, dass einige wandernde Fischarten wie beispielsweise der marine dreistachelige Stichling (Gasterosteus aculeatus) oder Lachse (Oncorhynchus spec.), bei denen eine Magnetfeldwahrnehmung nachgewiesen wurde, kein Cry4, aber ein strukturähnliches Cry5 besitzen. Der nicht migrierende Zebrafisch besitzt beide. Um herauszufinden, ob eines oder gar beide Cryptochrome an der Magnetfeldwahrnehmung beteiligt sind, planen wir Genausschaltungen von cry4 und cry5 beim Zebrafisch basierend auf der CRISPR/Cas9 Methode. Um deren Auswirkungen zu testen, haben wir ein Konditionierungsexperiment entwickelt, bei dem Zebrafisch-Wildtypen auf eine alleinige Änderung des Magnetfeldes hin ihr Verhalten und ihre Position signifikant ändern. Indem wir die knockout-Fische testen, könnten wir feststellen, ob die Reaktion auf Magnetfeldveränderungen bei den Mutanten verloren geht. Auch wandernde Stichlinge können mit dem entwickelten Verhaltenstest konditioniert werden. Dies bietet die entscheidende Voraussetzung, um mögliche Unterschiede in der Magnetfeldwahrnehmung zwischen nicht wandernden Zebrafischen und wandernden Stichlingen analysieren zu können. Die Funktionalität des Cry4- und Cry5-Proteins als potenzieller Magnetfeldsensor wollen wir durch heterologe Expression die Bindungsaffinität von FAD analysieren. Diese Versuche bieten in ihrer Passung die großartige Möglichkeit, den Mechanismus der Magnetfeldwahrnehmung bei Fischen weiter aufzuklären und damit das Phänomen zu verstehen, wie Fische ihren Weg finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen