Wo geht's lang im Stammbaum für E. coli?
(25. Juli 2011) Escherichia coli – der Liebling von Genetikern und Molekularbiologen – ist sowohl genetisch als auch phänotypisch vielfältig. Kann man da überhaupt noch von einer einzigen Art sprechen? Die Erfolgsgeschichte von E. coli begann 1885, als der Entdecker und spätere Namenspate Theodor Escherich das Bakterium erstmalig beschrieb und – noch ohne Ahnung von DNA-Sequenzen – anhand von Form, Stoffwechsel und Motilität klassifizierte. Nicht einmal 130 Jahre später vermutet jetzt ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftlerteam der Uniklinik Münster, der Washington University und der Michigan State University, dass das Ende der Art E. coli gekommen sein könnte (Leopold et al. , BMC Evol Biol 2011, 11:183).
So gut man die Genetik der im Labor am häufigsten verwendeten Bakterienart auch kennt – ihre Stammesgeschichte ist weniger gut verstanden. Phylogenetisch teilt man E. coli-Stämme in die fünf Gruppen A, B1, B2, D und E ein. Die Forscher um Shana Leopold verglichen nun DNA-Sequenzen dieser Gruppen miteinander, erstellten Stammbäume und untersuchten Sequenzaustausche. Dabei stellten sie fest, dass der Genaustausch zwischen den Gruppen limitiert ist und Rekombinationsprozesse häufiger innerhalb einer Gruppe stattfinden als zwischen Angehörigen unterschiedlicher Gruppen.
Welche Ursachen das haben kann erklärt Siegfried Scherer, der den Lehrstuhl für Mikrobielle Ökologie der TU München leitet und sich auch mit der Taxonomie von Bakterien beschäftigt: „Drei hypothetische Möglichkeiten sind: die Veränderung der Oberflächenrezeptoren für DNA-übertragende Bakteriophagen, veränderte Restriktions- und Reparatursysteme der Bakterien, die zur Abwehr von Fremd-DNA da sind, und die Einschränkung der Konjugation zwischen zwei Gruppen.“ Auch die Besetzung unterschiedlicher Lebensräume kann eine Rolle spielen.
Die Autoren um Leopold vermuten, dass dieser limitierte Genaustausch die Entstehung neuer Arten ankündigen könnte. „Wenn die Hypothese der Autoren stimmt, dann könnte man sagen, dass sich aus den Gruppen möglicherweise neue Arten entwickeln können“, so Scherer. Er bleibt aber vorsichtig: „Die Daten müssen sich in Analysen an einer größeren Zahl von Stämmen bestätigen.“
Nicht unerheblich ist jedoch die Frage, wie man bei Prokaryoten den Artbegriff definiert. „Darüber gibt es nicht wirklich Einigkeit“, so Scherer. Die Autoren definieren eine Art über den freien und regelmäßigen Austausch von genetischem Material, was ursprünglich auf sich sexuell reproduzierende Organismen zurückgeht. „Es ist durchaus fragwürdig, ob diese Artdefinition bei sich asexuell fortpflanzenden Mikroorganismen sinnvoll anwendbar ist“, merkt Scherer an.
Bei Prokaryoten kann der DNA-Austausch per horizontalem Gentransfer auch über die Artgrenzen hinweg erfolgen. „Das muss man sich so vorstellen, als fände sexuelle Fortpflanzung zwischen einem Molch und einem Storch statt“, verdeutlicht Scherer. Auch wenn die Effizienz des Gentransfers zwischen nahe verwandten Bakterien höher ist, muss die Ähnlichkeit einer bestimmten DNA-Sequenz nicht zwangsläufig die Verwandtschaft ihrer Träger widerspiegeln. „Wenn zwei Arten, die nicht miteinander verwandt sind, Genstücke austauschen und man mit diesem Genstück die Verwandtschaft analysiert, dann bekommt man ein falsches phylogenetisches Signal“, so Scherer. Dieses Problem versucht man zu lösen, indem man mehrere über das Genom verteilte Sequenzen analysiert (Multi Locus Sequence Typing). Aber auch diese Technik hat im Fall E. coli bisher zu keinen einheitlichen Ergebnissen geführt.
Leopold et al. untersuchten vier verschiedene, auf dem Chromosom verteilte Segmente der so genannten backbone-DNA, die relativ frei von horizontal übertragenen Elementen ist. Trotzdem variierten die Verwandtschaftsverhältnisse der unterschiedlichen E. coli-Gruppen in Abhängigkeit vom analysierten DNA-Segment. Je mehr Sequenzdaten man analysiert, umso unklarer wird die Stammesgeschichte von E. coli, wie die Autoren betonen. Das Puzzle bleibt also weiterhin ungelöst.
Siegfried Scherer betont, dass Laborstämme nicht zur Untersuchung von Evolutionsprozessen einer Art geeignet sind: „Die Evolution unter Laborbedingungen geht wahnsinnig schnell. Aufgrund der Kultivierung gehen die Populationen häufig durch bottlenecks hindurch, so dass Mutationen fixiert werden, die sich in der Natur normalerweise nicht durchgesetzt hätten.“ Trotzdem braucht kein Wissenschaftler zu befürchten, dass sich sein E. coli-Stamm im Labor zu einer anderen Art entwickelt. “Generell rechnet man damit, dass auch Bakterienspezies Millionen von Jahren benötigen, um sich zu trennen“, so Scherer. Für uns wird E. coli also immer E. coli bleiben.
Kai Krämer
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