Minus 1,9 Grad Celsius – so kalt ist das Wasser des Südpolarmeers rund um die Antarktis. Für die dort lebenden Fische ist das herausfordernd: Bei Kälte können Eiweiße ihre Funktion verlieren, der hohe Sauerstoffgehalt des Wassers kann die Zellen zusätzlich unter Stress setzen. „Rund 140 Fischarten haben im Laufe ihrer Evolution besondere Strategien entwickelt, um dennoch in der eisigen Welt der Antarktis zu überleben“, erklärt Dr. Iliana Bista, Letztautorin der Studie vom Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt und fährt fort: „Wie gut sich diese Fische an die extremen Bedingungen angepasst haben, zeigt der Antarktisraubfisch Harpagifer antarcticus. Der kleine, schuppenlose Fisch lebt im flachen Wasser des Südpolarmeers auf steinigem Untergrund und hat unter anderem spezielle Frostschutz-Eiweiße entwickelt, die verhindern, dass Eiskristalle weiterwachsen.“
In Zusammenarbeit mit einem internationalen Forschungsteam, dem auch Forschende des British Antarctic Survey (BAS), des Wellcome Sanger Institute, der University of Cambridge und der University of Colorado angehörten, gelang es Bista nun erstmals das Erbgut von Harpagifer antarcticus so zusammenzusetzen, dass die beiden von Mutter und Vater geerbten Erbgutvarianten – die sogenannten Haplotypen – getrennt untersucht werden können. „Diese Unterscheidung ist wissenschaftlich bedeutsam, da Unterschiede zwischen dem mütterlichen und dem väterlichen Erbgut bei herkömmlichen Verfahren zur Genomsequenzierung verborgen bleiben können. Durch die getrennte Analyse der Haplotypen lassen sich diese Unterschiede genauer untersuchen – etwa in Gensequenzen, in eingefügten oder entfernten DNA-Abschnitten sowie in Genomregionen, in denen bestimmte Gene mehrfach vorkommen“, so Bista.
Das Ergebnis überraschte das Forschungsteam: Die mütterliche und die väterliche Erbgutvariante des Antarktisraubfischs waren insgesamt erstaunlich ähnlich, eine Erbgutvariante enthält 17 Kopien, die andere 16. Deutliche Unterschiede fanden die Forschenden dagegen in sich wiederholenden DNA-Abschnitten und in der Länge der Gene, die für Frostschutzproteine verantwortlich sind. „Die Länge der Genabschnitte unterscheidet sich deutlich. Da größere Frostschutz-Eiweiße das Wachstum von Eiskristallen besonders wirksam hemmen können, könnten diese Unterschiede den Fischen helfen, sich an unterschiedliche Bedingungen in der Antarktis anzupassen“, erläutert die Frankfurter Forscherin.
Doch die Anpassung an extreme Kälte steckt nicht allein in den Genen für Frostschutz-Eiweiße. Rund 43 Prozent des Erbguts der untersuchten Fische bestehen aus sich wiederholenden DNA-Abschnitten, heißt es in der neuen Studie. Besonders häufig sind darunter sogenannte LINE-L2-Transposons. Diese beweglichen DNA-Abschnitte können ihre Position im Erbgut verändern oder neue Kopien von sich selbst erzeugen – daher werden sie auch als „springende Gene“ bezeichnet. Die Forschenden fanden Hinweise darauf, dass sich diese Elemente im Laufe der Evolution der antarktischen Fische zeitweise besonders stark vermehrt haben. Dadurch könnten sie zur Vergrößerung des Erbguts und zur Entstehung neuer genetischer Varianten beigetragen haben.
Darüber hinaus entdeckte das Team Hinweise auf Anpassungen in Genen, die unter anderem an der Abwehr schädlicher oxidativer Prozesse, am Fettstoffwechsel, an der korrekten Faltung von Eiweißen und an der Erhaltung wichtiger Zellfunktionen beteiligt sind. Alles Prozesse, die für das Überleben unter extrem kalten Bedingungen von Bedeutung sind.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Anpassung antarktischer Fische an extreme Kälte durch das Zusammenspiel verschiedener evolutionärer Prozesse geprägt ist. Der Vergleich verschiedener Arten und die getrennte Analyse mütterlicher und väterlicher Erbgutvarianten ermöglichten es uns, genetische Unterschiede sichtbar zu machen, die mit herkömmlichen Methoden möglicherweise unentdeckt geblieben wären. Unsere Studie verdeutlicht, wie genetische Veränderungen dazu beitragen, dass Antarktisfische auch unter den extremen Bedingungen des Südpolarmeers überleben können“, fasst Bista zusammen.
Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung
Originalpublikation:
Martelossi, J., Krasheninnikova, K., Denton, A. et al. A new phased assembly of the Antarctic spiny plunderfish provides novel insights into the evolution of the notothenioid radiation. Genome Biol 27, 317 (2026). https://doi.org/10.1186/s13059-026-04293-7
