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Erstmals „Big Data“-Untersuchung der Evolution von Raubfliegengiften – Ergebnisse der Studie bieten Ansatzpunkte für nachhaltige Bekämpfung von Schadinsekten und Potenzial für pharmakologische Anwendungen
Mit Gifttieren assoziieren wir meist Schlangen, Spinnen oder Skorpione. Vielen Menschen ist unbekannt, dass es giftige Fliegen gibt, die räuberisch leben. Manche Arten dieser Raubfliegen (Asilidae) haben sich sogar darauf spezialisiert, andere giftige und wehrhafte Insekten wie Bienen oder Wespen zu jagen. Wie sich das Gift in den Raubfliegen entwickelt hat, untersucht der Evolutionsbiologe Dr. Björn von Reumont im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes in der neuen Arbeitsgruppe „Animal Venomics“ (Tiergifte) an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU). Für ihre „Big Data“-Studie haben Dr. von Reumont und sein Doktorand Stephan Drukewitz mit Kolleginnen und Kollegen aus Leipzig und Brisbane modernste Methoden kombiniert, um den Giftapparat, die Giftzusammensetzung und die Entstehung des Giftcocktails der Großen Wolfsraubfliege (Dasypogon diadema) zu untersuchen. Diese Raubfliege ist auch in Hessen verbreitet.
Bei ihrer Untersuchung der Großen Wolfsfliege entdeckten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler viele noch unbekannte Toxine. Ein großer Teil dieser Gifte kommt offenbar nur in Raubfliegen vor. Damit zeigt die im Fachjournal GigaScience veröffentlichte Studie auch das Potenzial für praktische Anwendungen auf, das in bisher vernachlässigten Insektengiften steckt. Die Giftcocktails vieler Insekten wurden im Laufe von Millionen von Jahren hochspezifisch angepasst, um andere Insekten zu jagen oder sich zu verteidigen. Die unglaubliche Diversität dieses Wirkstoffarsenals ermöglicht es zum Beispiel, nachhaltige Bio-Insektizide zu entwickeln, die hochselektiv Schadinsekten bekämpfen und andere Arten nicht schädigen. „In Zeiten eines bisher ungesehenen Rückgangs von Insekten ist eine nachhaltige Nutzung von Insektiziden von größter Wichtigkeit“, betont Dr. Björn von Reumont.
Neue Gifte bergen überdies das Potenzial, Komponenten mit Eigenschaften für pharmakologische Anwendungen zu besitzen. Ein möglicher Kandidat im Raubfliegengift ist Asilidin1, ein kurzes Protein mit neurotoxischer Wirkung. Es hat Ähnlichkeit mit einer Neurotoxin-Familie, die auch von Spinnen, Skorpionen und Kegelschnecken bekannt ist. „Die Aktivität der meisten raubfliegenspezifischen Toxine ist noch unbekannt“, so Dr. von Reumont. „Wir testen diese in Bezug auf Einsatzmöglichkeiten gerade aufwändig im Labor in unserer Arbeitsgruppe Tiergifte.“ Diese Aspekte der angewandten Forschung sind Schwerpunkte des Instituts für Insektenbiotechnologie der JLU und des LOEWE-Zentrums für Translationale Biodiversitätsgenomik, an dem die Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, die Goethe-Universität Frankfurt, die JLU und das Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME beteiligt sind. Das Projekt zur Giftevolution in Raubfliegen ist in das LOEWE-Zentrum eingebunden.
Die Forscherinnen und Forscher sequenzierten auch das Genom der Großen Wolfsfliege. Damit wollten sie erkunden, wie die Gift-Gene entstehen und wo sie im Tierreich erstmals auftauchen. „Durch den Vergleich mit den Genomen verwandter Fliegenarten und anderer Insekten konnten wir zeigen, dass neben Toxinfamilien, die auch von anderen giftigen Tieren bekannt sind, in Raubfliegen Toxin kodierende Gene im Laufe der Evolution entstanden sind, die offenbar nur in dieser Gruppe vorkommen“, sagt Stephan Drukewitz, der die Analysen als Teil seiner Doktorarbeit durchführt. „Wie diese Gene entstanden sind, ist noch nicht genau geklärt.“
Bei Schlangen entstehen die Gift-Gene meist durch Genduplikation. Die aktuelle Studie zeigt, dass in Raubfliegen andere Prozesse der Genevolution in den Vordergrund treten. Neben Genduplikationen entsteht ein großer Anteil der Toxine offensichtlich dadurch, dass ein Einzel-Gen im Laufe der Evolution eine toxische Funktion entwickelt und das vom Gen kodierte Toxin exklusiv in der Giftdrüse gebildet wird. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, nicht nur Schlangen, Spinnen und Skorpione, sondern auch weniger bekannte giftige Tiergruppen besser zu untersuchen“, so Drukewitz. „Kurioserweise sind von giftigen Arten bislang nur wenige Genome sequenziert.“ Die Studie ist zurzeit die größte vergleichende Genomanalyse, in der die evolutionären Prozesse untersucht werden, die die Diversität von Giften und Entstehung von Toxingenen am Beispiel von Raubfliegen begründen.
„Durch unsere Studie wird deutlich, wie wichtig vergleichende Genomdaten sind, um die unterschiedlichen und möglicherweise kombinierten Entstehungsprozesse und die Komplexität des evolutionär wichtigen Merkmales Gift umfassender zu verstehen“, so Dr. von Reumont, der die Evolution von Giften und Diversität ihrer Toxine in verschiedenen Insektengruppen und in Krebsen untersucht.
Dr. Björn von Reumont
Arbeitsgruppe Tiergifte
Institut für Insektenbiotechnologie der JLU
Telefon: 0641 99-39503
Stephan Holger Drukewitz, Lukas Bokelmann, Eivind A. B. Undheim, Björn M. von Reumont: Toxins from scratch? – Diverse, multimodal gene origins in the predatory robber fly Dasypogon diadema indicate a dynamic venom evolution in dipteran insects.
GigaScience, Volume 8, Issue 7, Juli 2019, DOI: 10.1093/gigascience/giz081
https://academic.oup.com/gigascience/article/8/7/giz081/5530325
Die Große Wolfsfliege (Dasypogon diadema), ist eine giftige Raubfliege, die auch in Hessen vorkommt ...
Foto: Björn M. von Reumont
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Criteria of this press release:
Journalists
Biology, Zoology / agricultural and forest sciences
regional
Research results
German
Die Große Wolfsfliege (Dasypogon diadema), ist eine giftige Raubfliege, die auch in Hessen vorkommt ...
Foto: Björn M. von Reumont
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