Millionen Jahre altes DNA bietet einen Einblick in die Evolution der Mammuts.

17. Februar 2021

Im Jahr 2013 wurde DNA von einem Pferd sequenziert, das vor etwa 560.000 bis 780.000 Jahren lebte. Es war die älteste DNA-Probe, die jemals analysiert wurde. Doch dieser Rekord wurde gerade von van der Valk und Kollegen, die in Nature veröffentlicht haben, übertroffen. Die Autoren haben DNA aus den Backenzähnen von drei Mammuts gewonnen, die im Nordosten Sibiriens gefunden wurden, von denen zwei vor mehr als einer Million Jahren lebten.

Die Autoren isolierten die DNA aus Backenzähnen, die zuvor aus dem sibirischen Permafrost entnommen worden waren. Sie verwendeten Methoden, die die Rückgewinnung kurzer Fragmente von verbleibender DNA maximieren. Die kalten Temperaturen hatten den Abbau der DNA über geologische Zeiträume hinweg verringert.

Die Autoren datierten die Mammuts mithilfe der Biostratigraphie, bei der die faunistischen Überreste an den Standorten, an denen die Backenzähne gesammelt wurden, mit der Fauna an Standorten korreliert werden, für die absolute Datierungen vorliegen. Sie schätzten auch das Alter der Exemplare durch molekulare Datierung von DNA in einem zellulären Organell, das Mitochondrion genannt wird, da ein höherer Prozentsatz des mitochondrialen Genoms durch Sequenzierung abgedeckt war als der des nukleären DNA (obwohl ähnliche Datierungsschätzungen mit nukleärer DNA von den zwei neueren Exemplaren erhalten wurden).

Die Mitogenom-Daten zeigten, dass das jüngste der drei Mammut-Exemplare, das Chukochya genannt wird, vor mehr als 680.000 Jahren lebte (zum Vergleich: das ikonische Wollmammut, Mammuthus primigenius, erschien erstmals vor etwa 700.000 Jahren im Fossilienbestand). In einem phylogenetischen Baum, der mit nukleärer DNA erstellt wurde, fiel Chukochya außerhalb einer Gruppe, die alle Wollmammuts aus dem späten Pleistozän (129.000–12.000 Jahre ago) umfasste. Dieses Ergebnis stimmt mit der Morphologie des Chukochya-Mahlzahns überein, die es als eine frühe Form des Wollmammuts identifizierte.

Der zweitälteste Mammut, genannt Adycha, lebte vor etwa 1,34 Millionen Jahren im frühen Pleistozän (das von etwa 2,58 Millionen bis 773.000 Jahren ago dauerte). Die Autoren fanden heraus, dass Adycha zu einer Population gehörte, die den Wollmammuts ancestral war und die vor Chukochya lebte. Es gab erhebliche Unterschiede zwischen dem Molar von Adycha und denjenigen von Chukochya sowie neueren Wollmammuts, hinsichtlich der Schmelzdicke, der Anzahl und Dichte der Schmelzplatten und der Höhe der Kronen. Wir haben noch nicht genug Verständnis für die Entwicklungsgenetikprogramme, die diesen und anderen morphologischen Merkmalen zugrunde liegen, um die genomischen Veränderungen, die dafür verantwortlich sind, identifizieren zu können. In Zukunft könnte ein besseres Verständnis der Genetik der Schädel- und Zahnentwicklung eine engere Verknüpfung der Mammutgenomik mit der Paläontologie ermöglichen.

Die Autoren verglichen die Genome dieser alten Exemplare mit denen der Nachkommen der Wollhaarmammuts, um zu untersuchen, wie sich diese Mammuts an ihre kalte sibirische Umgebung angepasst hatten. Viele genetische Varianten, die als Ergebnis der Anpassung an nördliche Breiten angesehen werden, wurden bei Wollhaarmammuts identifiziert, indem ihre Genome mit denen von afrikanischen Savannen-Elefanten (Loxodonta africana) und asiatischen Elefanten (Elephas maximus), Mitgliedern derselben Säugetierfamilie, verglichen wurden. Von diesen Varianten zeigten van der Valk et al., dass 87 % bereits in Adycha und 89 % in Chukochya vorhanden waren. Das ist nicht überraschend, denn jede Linie, die im Permafrost erhalten geblieben ist, muss bereits an kalte Klimazonen angepasst gewesen sein. Die Autoren fanden jedoch auch Hinweise auf weitere Anpassungen, während sich die Mammutlinie entwickelte. Zum Beispiel trug das Gen TRPV3, das an der Temperaturwahrnehmung beteiligt ist, mehr Varianten in späten pleistozänen Wollhaarmammuts als im ancestral Chukochya.

Der älteste Mammut war Krestovka, dessen Alter durch Mitogenom-Datierung auf etwa 1,65 Millionen Jahre geschätzt wird (obwohl die Biostratigraphie ein etwas jüngeres Datum vorschlug). Ein phylogenetischer Baum deutete darauf hin, dass Krestovka nicht aus einer Population stammte, die den Wollmammuts ancestral war. Stattdessen war es Teil einer Linie, die sich vor etwa 2 Millionen Jahren von der Adycha–Chukochya–Wollmammut-Linie abspaltete. Die Forscher schlagen vor, dass Krestovka der Vorfahr der Mammuts war, die vor etwa 1,5 Millionen Jahren nach Nordamerika einwanderten und das Kolumbianische Mammut (Mammuthus columbi) in Regionen mit mildem Klima in Nord- und Mittelamerika hervorbrachten.

Die Autoren fanden auch in den nukleären Genomen der Kolumbianischen Mammuts die Spuren von zwei Mischungsereignissen (Zuchtkreuzungen) zwischen den Krestovka- und den Wollhaarmammut-Linien. Das zweite dieser Ereignisse scheint stattzufinden, nachdem die Wollhaarmammuts vor etwa 100.000 Jahren Nordamerika betreten hatten. Bei diesem Ereignis wurde etwa 12 % des Genoms des Kolumbianischen Mammuts durch DNA von Wollhaarmammuts aus dem späten Pleistozän ersetzt.

Der Rest des Genoms des kolumbianischen Mammuts zeigte gleichwertige Beiträge von den Krestovka- und den wollhaarmammut Linien, was auf ein früheres Mischereignis hindeutet. Eine 50:50-Aufteilung dieser Art könnte als überraschend angesehen werden, da die Beiträge der beiden Stammbevölkerungen in beliebigen Verhältnissen vorliegen könnten – zum Beispiel 80:30 oder 10:90. Die Aufteilung könnte Zufall sein, aber van der Valk und Kollegen schlagen die Möglichkeit einer hybriden Speziation vor, bei der die Nachkommen von Kreuzungen zwischen den beiden Linien nicht selbst mit einer der elterlichen Linien züchten.

Die Autoren schlagen vor, dass die ursprüngliche Hybridisierung vor etwa 420.000 Jahren stattfand, da zu diesem Zeitpunkt anscheinend ein Transfer von Mitogenomen von einer Wollhaarmammut-Linie zum Kolumbianischen Mammut stattfand. Die Vorfahren der Kolumbianischen Mammuts betraten jedoch Nordamerika lange vor diesem Datum, und die Wollhaarmammuts lange danach, was es schwierig macht, das Datum mit dem Fossilienbestand in Einklang zu bringen. Mitogenome übertragen sich leicht zwischen Arten in der Familie der Elefanten, sodass die Phylogenie der Mammuts des späten Pleistozäns möglicherweise mehr Ereignisse widerspiegelt als nur einen einzigen interspezifischen Transfer. Alternativ könnte die im nukleären Genom offensichtliche Hybridisierung nicht zu dem Zeitpunkt stattgefunden haben, der anhand der Mitogenome geschätzt wurde. Wenn DNA von frühen oder mittleren Pleistozän-Mammut-Proben aus dem Permafrost Nordamerikas gewonnen werden könnte, könnte dies weitere Aufschlüsse über die Ursprünge der Kolumbianischen Mammuts geben.

Viele heutige Tierarten entstanden während oder nach dem frühen Pleistozän. Die Fähigkeit, DNA aus frühen Pleistozän-Proben zu extrahieren, bedeutet, dass genomische Veränderungen in einigen Linien nun über lange Zeiträume hinweg verfolgt werden können, was Einblicke in die Evolution moderner Arten bietet. Moderne Genome werden häufig verwendet, um die demografische Geschichte von Populationen über Hunderttausende von Jahren hinweg abzuleiten; diese Ableitungen sollten nun auf ihre Genauigkeit getestet werden, indem Proben in der realen Zeit untersucht werden.

Die Verfolgung mitochondrialer und nuklearer genetischer Veränderungen über lange Zeiträume könnte auch die Rolle (falls vorhanden) von mitochondrial-nuklearen Interaktionen in der Evolution der Mammuts aufzeigen. Wenn Mitochondrien in vitro zwischen Zellen verschiedener Arten ausgetauscht werden, können die Interaktionen zwischen den von mitochondrialen und nuklearen Genen kodierten Proteinen gestört werden. Es ist vorstellbar, dass eine solche Störung die Evolution oder das Verschwinden von Mitogenom-Linien vorantreiben könnte. Dieser Forschungsansatz ist besonders relevant, da van der Valk und Kollegen sich auf den Transfer von Mitogenomen stützten, um die Hybridisierung zu datieren, die zur Entstehung der kolumbianischen Mammuts führte.

Schließlich konzentriert sich die Biostratigraphie auf die Verbreitung und Morphologie kleiner Arten wie Lemminge, Pikas und Wühlmäuse. Es sollte nun möglich sein, eine DNA-Komponente in die Biostratigraphie einzufügen, durch genomische Analysen kleiner Säugetiere an verschiedenen Standorten. Die Genomik wurde durch die Giganten der Eiszeit in die tiefen Zeitperioden gedrängt – die kleinen Säugetiere, die sie umgaben, könnten bald ebenfalls ihren Auftritt haben.

Mehr Informationen unter: https://www.nature.com/articles/d41586-021-00348-w