Meerestiere wie das extrem einfach gebaute Plattentier Trichoplax sind ideale Modellorganismen, um die frühen evolutionären Ursprünge tierischer Lebensprozesse zu erforschen. Das nur wenige Millimeter große Tier besitzt weder echte Organe noch ein Nervensystem und ist dennoch in der Lage, effektiv mit Bakterien zu interagieren. Eine Schlüsselrolle spielt dabei ein hochwirksames Enzym, ein Lysozym vom sogenannten goose-Typ (GH23), das Trichoplax gezielt während der Verdauung einsetzt, um bakterielle Nahrung abzubauen und unschädlich zu machen.
Forschende des Zoologischen Instituts der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten nun erstmals nachweisen, dass dieses Lysozym hoch aktiv ist und breit von den Tieren genutzt wird. Darüber hinaus gelang es ihnen, den evolutionären Ursprung dieses Enzyms zu entschlüsseln. Diese wichtigen g-type-Lysozyme der Tiere, von denen auch der Mensch zwei Kopien hat, stammen ursprünglich aus Bakterien. Erst durch horizontalen Gentransfer, die Vererbung von Genen unter nicht verwandten Organismen, wurden sie auf frühe Vorfahren der Tiere übertragen und weiterentwickelt. Damit ist dieser antibakterielle Mechanismus weitaus früher im tierischen Stammbaum verankert als bislang angenommen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Communications Biology erschienen und erlaubt einen neuen Blick auf die frühe Entwicklung tierischer Abwehrmechanismen.
Zentrale Rolle von Enzymen für bakterielle Abwehr und Verdauung
Tiere stehen in ständiger Verbindung und Interaktion mit Bakterien. Diese Interaktionen können von vorteilhaften Symbiosen zwischen Wirt und Mikroorganismus bis zu einer einseitigen Ausnutzung sein, etwa bei bakterienfressenden Organismen. Zur Abwehr von Bakterien und für die Verdauung verfügen Tiere über eine Vielzahl an molekularen Werkzeugen. Eine zentrale Rolle spiel dabei so genannten Lysozyme, das sind Enzyme, die bakterielle Zellwände zerstören können. Sie kommen bei Menschen ebenso vor wie bei Insekten oder Weichtieren und lassen sich in verschiedene Typen einteilen. Zu den wichtigsten Gruppen gehören die so genannten g-Typen, benannt nach der ersten Art, in denen sie nachgewiesen wurden, hier im Eiweiß einer Graugans. Wie einzelne frühere Forschungsergebnisse aufzeigen, scheinen diese Lysozyme im Stammbaum der Tiere allerdings sehr ungleichmäßig verteilt zu sein. Lange war daher der evolutionäre Ursprung unklar, den nun Forschende aus den CAU-Arbeitsgruppen „Marine Symbiosen“ und „Vergleichende Immunbiologie“ in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen aus der Mikrobiologie und der Experimentellen Medizin in ihrer aktuellen Studie entschlüsselten.
Einfachste Meereslebewesen als Modellorganismus
Die Kieler Forschenden untersuchten das uralte placozoische Lysozym PLys, das in dem äußerst einfachen, scheibenförmigen Tier Trichoplax vorkommt. Diese flachen, winzigen Meereslebewesen sind freilebende Wirbellose und gehören zu einer der ursprünglichsten lebenden Tiergruppen auf der Erde, den Placozoen. Es besitzt weder Darm, noch Muskeln oder ein Nervensystem und das macht Trichoplax mit seinem extrem einfachen Aufbau zu einem wichtigen Modellorganismus für die evolutionäre Forschung.
Bündelung modernster Methoden aus mehreren CAU-Arbeitsgruppen
Um die Rolle von PLys in Trichoplax zu charakterisieren, nutzten die Forschenden in vitro-Verfahren und bestimmten seine natürlichen Proteinformen und seine zelluläre Verteilung mit dem Einsatz modernster Massenspektrometrie sowie vielfältiger biochemischer, immunbiologischer und mikroskopischer Verfahren in Zusammenarbeit mit mehreren CAU-Arbeitsgruppen. „Wir konnten nachweisen, dass PLys ein hochaktives GH23-Lysozym ist. Trichoplax produziert es gezielt in Zellen seiner Unterseite, dort wo er Nahrung aufnimmt, indem er Biofilme aus Algen und Bakterien abgrast. Das Enzym trägt wesentlich dazu bei, diese Nahrung effizient aufzuschließen,“ erklärt Biochemiker Henry Berndt, Erstautor der Studie und Doktorand an der CAU in der Arbeitsgruppe Marine Symbiosen. „Das Tier schafft es dabei, den pH-Wert im Meerwasser unter seinem Körper, in dem Bereich, in dem es gerade verdaut, aktiv so anzupassen, dass das Lysozym optimal wirken kann. Wir sind hier also auf komplexe Abwehr- und Verdauungsmechanismen bei einem sehr einfachen Tier gestoßen,“ so Berndt weiter. Prof. Matthias Leippe, in dessen Arbeitsgruppe am Zoologischen Institut Henry Berndt die Arbeiten an PLys begonnen hatte, freut sich über die gelungene Staffelübergabe zu seinem Nachfolger Professor Harald Gruber-Vodicka mit dieser neuen Studie und ergänzt: „Unsere Vermutung war schon seit Jahren, dass ein solch wichtiges und effizientes Enzym früher im Stammbaum entstanden sein musste als bisher angenommen.“
Horizontaler Gentransfer bringt wichtige Funktion für den Tierstammbaum
Diesen Hinweisen gingen das Team nun unter der Leitung von Professor Gruber-Vodicka systematisch nach und analysierte die evolutionäre Herkunft dieses Enzyms mithilfe moderner, proteinstrukturbasierter phylogenetischer Analysen. Dabei konnten die Forschenden erstmals einen sehr tief zurückreichenden Stammbaum der so genannten GH23-Lysozyme erstellen. Das Ergebnis: Tierische Lysozyme dieses Typs haben keinen tierischen Ursprung, sondern sie gehen auf einen uralten horizontalen Gentransfer zurück, bei dem genetisches Material von einem Organismus auf den anderen übertragen wird, ohne dass ein Verwandtschaftsverhältnis besteht wie bei Eltern und Nachkommen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieses zentrale antibakterielle Lysozym direkt von Bakterien auf einen frühen tierischen Vorfahren übertragen wurde, vermutlich in einer Linie schon vor der Entstehung der bilateral-symmetrischen Tiere, zu denen auch der Mensch gehört, also vor mehr als 600 Millionen Jahren“, sagt Professor Dr. Harald Gruber-Vodicka, Leiter der Arbeitsgruppe Marine Symbiosen am Zoologischen Institut der CAU, der schon lange an der Tiergruppe und Trichoplax forscht und bereits zwei bakterielle Symbiosen in ihnen nachgewiesen hatte. „Nach diesem Gentransfer wurde das Enzym in vielen Tierlinien bis hin zu uns Menschen beibehalten, teilweise vervielfältigt und auch funktionell weiterentwickelt. Wir Menschen haben zum Beispiel zwei Kopien – eine davon spielt eine wichtige Rolle in der Abwehr von Bakterien durch unsere Haut.“
Die Ergebnisse der aktuellen Studie liefern entscheidende Einblicke in die Ursprünge von tierischen Abwehrmechanismen und Verdauung und in die tiefen Verzweigungen des Stammbaums der Tiere, in denen der horizontale Gentransfer eine größere Rolle spielte, als Forschende bislang vermutet hatten.
Universität Kiel
Originalpublikation:
Berndt, H., Duarte, I., Repnik, U. et al. An ancient lysozyme in placozoans participates in acidic extracellular digestion. Commun Biol (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-025-09409-6
