Eine Schließmundschnecke

Seit 580 Millio­nen Jahren flexi­bel und erfin­de­risch

An fast alle Lebensräume unserer Erde haben sich Weichtiere (Mollusken) angepasst. Der Grund: Sie sind seit ihrer Entstehung vor 580 Millionen Jahren im Präkambrium unter anderem dank körpereigener Eiweißstoffe flexibel und erfinderisch.

Weshalb konnte sich der alte Tierstamm der Mollusken zur arten- sowie formenreichsten Gruppe nach den Gliedertieren (Arthropoden) entwickeln? Diese Frage zählt zu den Hot Topics der weltweiten biologischen Grundlagenforschung. Ein internationales Team rund um Univ.-Prof. i. R. Reinhard Dallinger vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck zeigt essenzielle Gründe dieses evolutionären Erfolges auf. Der Gruppe rund um den Ökotoxikologen gelang es zu entschlüsseln, wie Weichtiere ihre speziellen Entgiftungsproteine - die sogenannten Metallothioneine - entwickelt und schrittweise verbessert haben.

Evolution von Entgiftungsproteinen bei Mollusken

„Weichtiere aktivieren ihre Entgiftungskapazität durch die selektive Bindung von Schwermetallen an Metallothioneine. Das sind multifunktionale Stress-Proteine. Sie kommen in nahezu allen Organismen dieser Erde vor und erfüllen sehr unterschiedliche Aufgaben. Bei Mollusken allerdings haben sich diese Biomoleküle zu hochspezifischen Proteinen für die Schwermetall-Entgiftung entwickelt. Mithilfe dieser körpereigenen Eiweißstoffe können Weichtiere besonders das äußerst toxische Cadmium äußerst wirkungsvoll binden und dadurch unschädlich machen“, erklärt Dallinger.

Mollusken optimieren Entgiftung

Wie die Gruppe in der Fachzeitschrift Molecular Biology and Evolution berichtet, wurde diese Fähigkeit im Laufe der Evolution wirkungsvoll gesteigert. Das Team hat bei Abkömmlingen der Caenogastropoda, die im Süßwasser leben und bei bestimmten Landschnecken langkettige Metallothioneine entdeckt, wie sie bislang bei dieser Proteinfamilie nicht bekannt waren. „Das kann man sich wie einen Zug mit vielen Waggons vorstellen. Die langkettige Struktur dieser Metallothioneine entsteht, weil mehrere Metall-bindende Domänen – also Untereinheiten dieser Entgiftungsproteine – in modularer Weise aneinandergereiht werden. Die exakte räumliche Struktur und die Interaktionen zwischen diesen Domänen erforschen wir allerdings erst in weiterer Folge“, erläutert Dr.in Veronika Pedrini-Martha von Dallingers Innsbrucker Team. Weichtiere besaßen ursprünglich bi-modulare Metallothioneine mit zwei Metall-bindenden Domänen. Vertreter dieser Tierklasse haben laut den Ergebnissen der Gruppe allerdings über lange evolutionäre Zeiträume immer wieder neuartige Metall-bindende Domänen erfunden und diese miteinander kombiniert.

Diese Art der Protein-Entwicklung nennt die Wissenschaft Modularität. Werden mehrere (bis zu zehn) Cadmium-spezifische Domänen modular aneinandergereiht, erhöht sich die Entgiftungs-Kapazität für Cadmium um ein Vielfaches, da bereits eine einzige Domäne drei Cadmium-Ionen binden kann. „Die Erfindung dieser Modularität von Metallothioneinen ist ein überraschender Schritt auf dem Weg zur evolutionären Optimierung der Schwermetallentgiftung bei Weichtieren“, betont der Ökotoxikologe. Die bei uns heimische Landschnecke Alinda biplicata (oben im Bild) ist ein Beispiel für ein Weichtier mit solchen sehr langkettigen Metallothioneinen. 

Fähigkeit entwickelte sich evolutionär früh

Bei Schnecken (Gastropoden), die die größte Klasse der Mollusken sind, wurde die Entgiftungs-Effizienz für Cadmium zunächst durch schrittweise Erhöhung der Bindungs-Spezifität verbessert. Diese Fähigkeit dürfte sich evolutionär sehr früh und wohl deshalb entwickelt haben, weil Cadmium im Laufe der Erdgeschichte immer wieder durch supervulkanische Eruptionen in erhöhten Konzentrationen freigesetzt wurde. Ergebnisse dazu hat das Team in der Fachzeitschrift Metallomics im heurigen Frühjahr publiziert.


Wie Schnecken ihre Cadmium-selektive Entgiftungskapazität mithilfe Metall-bindender Eiweißstoffe im Lauf der Evolution ab dem Ordovizium vor 460 Millionen Jahren (My) bis heute optimiert haben, zeigt die blau markierte Zeitachse links. Ausgangspunkt der Entwicklung sind bi-modulare Metallothioneine mit zwei Metall-bindenden Domänen. Das sind die oben rechts dargestellten Domänen β3 und β1. In diesen Untereinheiten der Entgiftungsproteine können jeweils drei Metall-Ionen unspezifisch nebeneinander gebunden werden. Die blauen Kreise in der Grafik stehen für Kupfer, die roten Kreise für Cadmium. Die kalifornische Schlüssellochschnecke (Megathura crenulata) ist ein Beispiel für ein Weichtier mit bi-modularen Metallothioneinen in zwei Metall-bindenden Domänen. Die Entgiftungs-Kapazität für Cadmium wurde im Laufe der Evolution bei den Gastropoden dann in mehreren Schritten verbessert. In einem ersten Schritt – wie rechts oben bei 1 in Rot abgebildet – erfanden Schnecken am Übergang vom Ordovizium zum Silur die Cadmium-Selektivität. Ihre Metallothioneine erlangten Cadmium-Spezifität, indem in beiden Metallothionein-Domänen nur mehr das hochtoxische Cadmium gebunden wurde. In einem zweiten Schritt – wie rechts oben bei 2 in Rot veranschaulicht – wurde vor etwa 430 Millionen Jahren bei manchen Klassen der Gastropoden eine neue Cadmium-bindende Domäne erfunden. Diese – als γ in der Mitte der Grafik abgebildete - Domäne ersetzte die alte β3-Domäne und konnte überdies noch ein viertes Cadmium-Ion binden. Das ist ein Vorgang, den die Wissenschaft Erhöhung der Cadmium-Stöchiometrie nennt. Solcherart erfinderisch war zum Beispiel die Riesennapfschnecke (Lottia gigantea), die in Gezeitenzonen vorkommt. Die meisten anderen Gastropoden haben in einem dritten Schritt – wie rechts unten bei 3 in Rot veranschaulicht - als weitere evolutionäre Optimierungs-Strategie schrittweise ihre β3-Domäne modular vermehrt. Dies erfolgte zunächst durch Duplikation der β3-Domäne bei der Strandschnecke (Littorina littorea) und ihren Verwandten, vor etwa 420 Millionen Jahren. „Schließlich finden wir ab der Kreidezeit, vor etwa 110 Millionen Jahren, vermehrt Gastropodenarten mit einer modularen Multiplikation von β3-Domänen, wie etwa bei der an Land lebenden Gemeinen Schließmundschnecke (Alinda biplicata). Da jede dieser Domänen drei Cadmium-Ionen binden kann, erhöht die modulare Vermehrung von Domänen auch die Bindungs-Kapazität für Cadmium. Bestimmte Gastropoden konnten so ihre Entgiftungs-Effizienz ganz enorm steigern.

Übergeordnet bringt der internationale renommierte Ökotoxikologe die Resultate seines Teams und deren über die Grundlagenwissenschaft hinausweisende Bedeutung so auf den Punkt: „Schnecken und ihre Vorfahren mussten lernen, das hochtoxische Cadmium zu binden und zu entgiften. Schließlich nehmen sie als Bauchfüßer durch ständigen Kontakt mit dem Substrat das Metall auch über ihre Sohle und damit über die Haut, und nicht nur über ihre Nahrung auf. Dabei wird das Cadmium zwar angereichert, jedoch gleichzeitig durch Bindung an die Cadmium-spezifischen Metallothioneine entgiftet. Dies macht Schnecken zu den wohl wichtigsten Bioindikatoren für Schwermetallbelastungen in der Umwelt. Es liegt daher auf der Hand, wie wichtig es ist, die Mechanismen der Schadstoff-Entgiftung dieser Tiere besser verstehen zu lernen.“

Antworten auf alte Fragen

Laut den jüngsten Ergebnissen der Gruppe rund um Dallinger war dazu die Perfektionierung der Entgiftungsfunktion körpereigener Eiweißstoffe in Form der Metall-spezifischen Metallothioneine zur Abwehr von Umweltstress essenziell. Da diese Proteine besonders viele schwefelhaltige Aminosäuren (sogenannte „Cysteine“) enthalten, können Metalle über die Schwefelatome dieser Cysteine besonders stark gebunden werden. Metallothioneine sind als eine spezielle Familie von Metalloproteinen in Tieren, Pflanzen und Pilzen weit verbreitet. Auch der Mensch verfügt – etwa in der Leber, der Niere oder im Nervensystem – über Metallothioneine. Dort spielen diese speziellen Eiweiße im Zusammenhang mit Prozessen der Metallentgiftung und der Spurenelement-Regulation eine wesentliche Rolle. Bei keiner anderen Organismen-Gruppe jedoch hat die Evolution die Entgiftungs-Kapazität dieser Proteinfamilie derart auf die Spitze getrieben wie bei den Weichtieren.

Neues Forschungsprojekt

Gefördert wurden diese Forschungen vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF (DACH-Projekt No. I 1482-N28, Leading Agency FWF, Projektleiter: R. Dallinger). Zur Aufklärung der Struktur und Biologie von Multidomänen-Metallothioneinen hat die Gruppe nun ein neues Forschungsprojekt gestartet. Dieses wird bis 2023 ebenso vom FWF finanziert (FWF-Projekt Nr. P 33973-B, Projektleiter: R. Dallinger). Die Gruppe des Ökotoxikologen am Institut für Zoologie der Universität Innsbruck arbeitet im Zuge des frisch gestarteten Projektes multidisziplinär mit vielen Instituten und Arbeitsgruppen aus Österreich, Spanien und der Schweiz zusammen. In Tirol kooperiert das Team mit Arbeitsgruppen aus den Instituten für Zoologie, Ökologie und dem Institut für Biomedizinische Alternsforschung der Universität Innsbruck sowie mit der Abteilung für Klinische Biochemie der Medizinischen Universität Innsbruck. International arbeitet das Team mit den Abteilungen für Chemie und Genetik der Universität Barcelona und der Autonomen Universität Barcelona sowie mit der Abteilung für Chemie der Universität Zürich zusammen. Eine weitere Kooperation im Rahmen dieses frisch begonnenen Projektes ist mit dem Institut für Toxikogenomik am Kings’ College in London geplant.

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