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Die Rolle von Stressproteinen bei der Anpassung an Umweltbedingungen: Ökophysiologische, ökotoxikologische und evolutionsbiologische Implikationen

Environmental Sciences EuropeBridging Science and Regulation at the Regional and European Level200921:41

https://doi.org/10.1007/s12302-009-0041-9

Eingegangen: 27. November 2008

Angenommen: 22. Februar 2009

Publiziert: 20. März 2009

Zusammenfassung

Einleitung Stressproteine sind ubiquitär verbreitet und durch eine Vielzahl von Stressoren induzierbar. Seit Beginn der 1990er Jahre wird ihre Bedeutung für ökologische und mikroevolutive Anpassungen untersucht.

Stressproteine: Funktion und Induktion Es existieren verschiedene Familien von Stressproteinen, wobei die meisten Daten für die Familien Hsp70, Hsp60 und Hsp90 vorliegen. Es handelt sich bei diesen Proteinen um cytoplasmatische Chaperone, die eine zentrale Rolle bei der korrekten Faltung von Polypeptiden, bei deren Transmembranpassage und bei der Stabilisation von Signaltransduktionsprozessen besitzen. Hsp70 wird durch erhöhte intrazelluläre Konzentrationen ungefalteter oder falsch gefalteter Proteine induziert und kann somit proteotoxische Wirkungen indizieren.

Modulation des Stressproteinlevels durch interne Faktoren Während bestimmter Entwicklungsstadien werden Stressproteinlevel durch interne Faktoren verändert. Dies wurde insbesondere für die frühe Individualentwicklung, die Formation von Ruhestadien und die Reproduktionsphase gezeigt.

Anpassung an äußere Stressoren unter Laborbedingungen In Laborversuchen zur Wirkung ökophysiologisch relevanter Stressoren wurde für eine Reihe von Taxa nachgewiesen, dass eine kurzzeitige physiologische Anpassung an erhöhte Temperaturen sowie diverse Umweltschadstoffe eine Erhöhung des Stressproteinlevels nach sich zieht. Bei extremer Stresseinwirkung bricht dieser Reaktionsmechanismus zusammen.

Anpassung an Freilandbedingungen Auch im Freiland sind in die physiologische Adaptation an Temperaturschwankungen und Kontaminationen i. d. R. Induktionen von Stressproteinen involviert, die als Effektmarker proteotoxischer Wirkungen diagnostisch genutzt werden können.

Evolutionsbiologische Implikationen In langzeitbelasteten Gebieten werden jedoch vielfach Phänotypen mit niedrigen Stressproteinleveln evolutionär begünstigt. Es wird diskutiert, ob unterschiedliche Strategien bei der Stressantwort aufgrund der Rolle von Hsps bei der Kanalisation von Entwicklungsprozessen unterschiedliche Grade phänotypischer Variation auch unter natürlichen Verhältnissen bedingen.

Schlüsselwörter

Biomarker Canalization Hsp Mikroevolution Ökotoxikologie physiologische Anpassung Proteotoxizität Stress Stressproteine Toleranz

The role of stress proteins in the adaptation to the environment: implications for ecophysiology, ecotoxicology, and evolutionary biology

Abstract

Introduction Stress proteins are ubiquitous and inducible by a vast number of stressors. Their relevance for ecological and microevolutionary adaptations has been investigated since the early 1990s.

Stress proteins: function and induction Stress proteins are categorized in different families of which most data have been recorded for Hsp70, Hsp60, and Hsp90. These cytoplasmatic proteins play a central role in protein folding, the trans-membrane passage of proteins, and the stabilization of signal transduction pathways. Hsp70 is induced by elevated concentrations of unfolded or malfolded intracellular proteins and hence indicates proteotoxicity.

Modulation of the stress protein level by internal factors During certain developmental stages, stress protein levels are modified by internal factors. This has been particularly shown for the early ontogeny, for the formation of quiescent stages, and for the reproductive phase.

Adaptation to external stressors in the laboratory Laboratory studies on the effects of ecophysiologically relevant stressors have revealed short-term physiological adaptation to heat or environmental chemicals to involve an elevation of stress protein levels. Extreme stressor impact disrupts this responsive mechanism.

Adaptation to field situations Also in the field, physiological responses to temperature fluctuations or contamination usually involve the induction of stress proteins which can be used as a biomarker of proteotoxic effect.

Implications for evolutionary biology In long-term contaminated sites, however, phenotypes displaying low stress protein levels appear to be evolutionarily favored. Whether different stress response strategies may entail different degrees of phenotypic variation even under natural conditions – via Hsp action on developmental canalization – is a matter of hot debate.

Keywords

Biomarkers Canalization Hsp Microevolution Ecotoxicology Physiological adaptation Proteotoxicity Stress Stress proteins Tolerance

1 Einleitung

Im Jahr 1962 entdeckte F. Ritossa, dass plötzliche Temperaturerhöhung bei Drosophila-Larven zu einer Änderung des Puffing-Musters führte, welches später als Ausdruck differentieller Genaktivität erkannt wurde. Die korrespondierenden Proteine wurden erst zwölf Jahre später von Tissières et al. (1974) beschrieben und entsprechend des ihrer Induktion zu Grunde liegenden Stressors ‚Temperaturerhöhung‘ als Hitzeschockproteine (Heat shock proteins, Hsp) bezeichnet. Schon bald zeigte sich jedoch, dass die Induktion dieser Proteine nicht allein auf Temperatureffekte, sondern vielmehr auf die Wirkung zahlreicher Stressoren unterschiedlichster Natur (z. B. auch Schwermetalle, Viren, Aminosäureanaloga etc.) zurückzuführen war, und so wird heute die Bezeichnung ‚Stressproteine‘ für diese Gruppe von Proteinen bevorzugt, wobei jedoch das Kürzel Hsp blieb. Stressproteine sind eine Gruppe molekularer Chaperone, d. h. Proteine, die an der Aufrechterhaltung essentieller zellulärer Prozesse beteiligt sind. Sie sind dementsprechend phylogenetisch sehr alt, in manchen Hsp-Familien strukturell äußerst hoch konserviert und wurden bisher in allen darauf untersuchten Taxa der belebten Natur (Eubakterien, Archaebakterien, Protisten, Pflanzen, Pilzen und Tieren) nachgewiesen. Ihre molekularen und zellphysiologischen Funktionen wurden ausführlich in unterschiedlichsten Gebieten der Lebenswissenschaften untersucht und sind Gegenstand zahlreicher Review-Artikel (z. B. Nover 1984; Gething und Sambrook 1992; Parsell und Lindquist 1993; Feder und Hofmann 1999; Morimoto et al. 1999; Pockley 2003). Zu Beginn der 1990er-Jahre entstanden die ersten Arbeiten, die damit begannen, die Rolle dieser Proteine in der Stressökologie und Ökotoxikologie zu untersuchen (z. B. Bradley 1990; Köhler et al. 1992; Sanders 1993), und die somit die Basis für ihre Nutzung als Biomarker (suborganismische Reaktionen auf Umweltbelastungen) für Umwelteinflüsse legten (zusammengefasst in Kammenga et al. 2000; Sørensen et al. 2003). Seit dieser Zeit ist die Anzahl auch der ökologisch (und in neuerer Zeit auch evolutionsbiologisch) orientierten Publikationen zu diesem Thema kontinuierlich gestiegen, und diese können unmöglich in aller Ausführlichkeit in einem Kurz-Review wie dem vorliegenden Artikel dargestellt werden. Insofern orientiert sich der vorliegende Artikel vorzugsweise an Arbeiten der Arbeitsgruppe des Autors, die in den jeweiligen zeitlichen und inhaltlichen Kontext gestellt werden.

2 Stressproteine: Funktion und Induktion

Stressproteine werden entsprechend ihres Molekulargewichts verschiedenen Proteinfamilien zugeteilt. Neben den strukturell sehr konservierten Familien Hsp60, Hsp70 und Hsp90 (die Ziffern bezeichnen jeweils das ungefähre Molekulargewicht in kDa) existieren eine eher heterogene Gruppe niedermolekularer Hsps mit einem Molekulargewicht unter 30 kDa (low molecular weight (LMW) Hsps), Hsp40 und Hsp100 (auch high molecular weight (HMW) Hsps genannt) mit unterschiedlichen zellulären Funktionen. In der Ökologie und Evolutionsbiologie beschränkte sich die Forschung bisher jedoch weitgehend auf die Familien Hsp60, Hsp70 und Hsp90. Hsp70 ist hierbei die am besten untersuchte Familie, deren Induktionsmechanismus weitgehend verstanden ist (Abb. 1). Die Isoformen der Hsp70-Familie sind cytoplasmatische Proteine, die in der Regel nicht isoliert, sondern an ein weiteres Protein, Hsf (heat shock factor, wiederum in verschiedenen Isoformen) gebunden vorliegen. Mit Hsf konkurrieren allerdings auch ‚ungefaltete‘ Polypeptidstränge unabhängig von ihrer Primärsequenz kompetitiv um die Bindungsstelle des Hsp70, so dass bei einer hohen intrazellulärer Konzentration ungefalteter oder falsch gefalteter Proteine vermehrt Hsp70 an derartige Strukturen bindet und in Konsequenz Hsf vermehrt freigesetzt wird. Dieses bindet wiederum in trimerisierter und phosphorylierter Form an hse (heat shock element)-Sequenzen der DNA und induziert die Transkription der hsp70-Strukturgene. Nach erfolgter Translation steigt somit der intrazelluläre Level an Hsp70 so lange, bis der Induktor Hsf wieder quantitativ durch neu produziertes Hsp70 gebunden und die beschriebene Induktionskaskade wieder durchbrochen wird. Eine Erhöhung des Hsp70-Levels findet somit dann statt, wenn sowohl verstärkt neue (noch ungefaltete) Proteine synthetisiert werden oder wenn die Integrität intrazellulärer Proteine (durch partielle Denaturierung) beeinträchtigt wird. Letzterer Effekt wird als Proteotoxizität bezeichnet und ist vor allem bei der Diagnostik von Umweltstress von Bedeutung. Allerdings muss auch die Rolle von Stressproteinen im ‚normalen‘ Zellmetabolismus bei der Indikation proteotoxisch wirkender Umweltbedingungen berücksichtigt werden. Basierend auf der Vielfalt möglicher Auslöser von Proteotoxizität ist somit die Induktion von Stressproteinen nicht dazu geeignet, auf die Natur des zu Grunde liegenden Stressors zu schließen. Stressproteine eignen sich jedoch insbesondere zur Beurteilung von (proteotoxischen) Effekten adverser Bedingungen, wobei über die kombinierte Wirkung mehrerer gleichzeitig wirkender Stressoren integriert wird (z. B. Köhler et al. 2001). Die Induktion von Stressproteinen ist demnach als biomarker of effect (und nicht biomarkerof exposure) zu bezeichnen.
Abb. 1

Regulation der Induktion von Hsp70, vereinfacht, schematisch. Erklärung im Text

Die biochemische Funktion von Hsp70 wie Hsp60 besteht in einer ‚Assistenz‘ bei der korrekten Faltung intrazellulärer Proteine, was die Bezeichnung ‚Chaperone‘ für beide Stressproteinfamilien zum Ausdruck bringen soll. Desweiteren ist Hsp70 an der Transmembranpassage von Polypeptiden beteiligt. Das ebenfalls phylogenetisch stark konservierte Hsp90 stabilisiert Signaltransduktionswege, so z. B. die Bindung (und somit auch Signaltransduktion) von Steroidhormonen an ihre Rezeptoren oder von planaren organischen Verbindungen an den Arylhydrocarbon-Rezeptor.

In der Literatur wird oftmals zwischen ‚stressinduzierbaren‘ Isoformen (z. B. Hsp70 sensu stricto) und nicht induzierbaren, stets auf gleichem Level verbleibenden Isoformen (z. B. Hsc70 = 70 kDa heat shock cognate) unterschieden. Hierbei sollen nur die cognate-Gene Introns enthalten, da aufgrund der Anfälligkeit der Splicing-Maschinerie für disruptive Ereignisse und des durch Splicing erhöhten Zeitaufwands ein Selektionsdruck in Richtung Intronverlust bei stressinduzierbaren Stressgenen bestehen soll (Yost und Lindquist 1986, 1991). Allerdings ist die Unterscheidung zwischen ‚induzierbaren‘ und cognate-Genprodukten vage und auch das Kriterium Besitz/Verlust von Introns wohl nicht universell anwendbar (Knigge 2003). Insofern konzentriert sich die ökophysiologische und ökotoxikologische Literatur nahezu ausschließlich auf Stressproteinfamilien und nicht auf einzelne Isoformen. Somit werden auch in diesem Artikel die Bezeichnungen Hsp70, Hsp90 und Hsp60 im Folgenden für die gesamten jeweiligen Stressproteinfamilien gebraucht.

3 Modulation des Stressproteinlevels durch interne Faktoren

Wie dargestellt, werden Stressproteine nicht nur durch proteotoxische Wirkungen, sondern auch in Lebensphasen erhöhter Translationsaktivität induziert. Die Kenntnis dieser internen Variabilität ist vor allem dann unerlässlich, wenn eine Änderung des Stressproteinlevels als diagnostisches Mittel (Biomarker) zur Indikation toxischer Wirkungen eingesetzt werden soll. Insbesondere unter diesen Umständen sollte der Einfluss der folgenden, durch Zitate exemplarisch belegten internen Faktoren berücksichtigt werden:

Frühe Ontogenese: In frühen Juvenilstadien besteht eine starke Notwendigkeit zur Neusynthese von Proteinen. So wiesen Larven des Zebrabärblings (Danio rerio) im Alter von 84 Stunden nach Fertilisation einen Hsp70-Level auf, der bis zu achtmal höher war als derjenige bei 12 Stunden alten Individuen (Yeh und Hsu 2002). Starke Erhöhungen der Level an Hsp70 und Hsp60 konnten auch in den quieszenten Stadien vor den jeweiligen Nymphenhäutungen bei der oribatiden Milbe Archegozetes longisetosus nachgewiesen werden (Köhler et al. 2005).

Reproduktionsphase: Der Flohkrebs Gammarus fossarum zeigte eine starke Abhängigkeit der Gehaltes an Hsp70 und Hsp90 vom reproduktiven Zyklus. So wiesen Individuen beiderlei Geschlechts direkt von der Eiablage/Insemination hohe Level an Hsp70 und niedrige Werte für Hsp90 auf; wenige Wochen später hatte sich die Situation umgekehrt (Schirling et al. 2004). In einer Freilandpopulation der Mützenschnecke Ancylus fluviatilis konnten über drei Jahre hinweg im Juli und November vor dem Auftreten neuer Juvenilgenerationen hohe Hsp70-Level in den Individuen der Parentalgeneration nachgewiesen werden (Adam, Köhler und Triebskorn, unpubliziert, Abb. 2).
Abb. 2

Größe und Hsp70-Level abundanter Individuen einer Population der Mützenschnecke Ancylus fluviatilis aus einem Bach in Süddeutschland (Burtelbach, Württemberg). Die einer Generation zuzuordnenden Individuen sind in grober Annäherung durch Ellipsen markiert und durch Geraden miteinander verbunden. Die Hsp70-Level wiesen zwischen November 1997 und 1999 jeweils im Juli und November saisonale Maxima auf

Ruhestadien: Auch Stadien sehr geringer Stoffwechselaktivität können mitunter hohe Stressproteinlevel aufweisen. Gemmulae des Süßwasserschwamms Spongilla lacustris enthielten erstaunlich viel Hsp70-Protein und korrespondierende mRNA (Schill et al. 2006). Während der Ausbildung cryptobiotischer Stadien des Tardigraden Milnesium tardigradum (die üblicherweise als stoffwechselfrei gelten) indizierten erhöhte mRNA-Level sogar die Induktion der Transkription einer Isoform von hsp70 (Schill et al. 2004). Auch in Diapause-II-Stadien des ‚killifish‘Austrofundulus limnaeus konnten erhöhte Gehalte einer Hsp70-Isoform nachgewiesen werden (Podrabsky und Somero 2007)

4 Anpassung an äußere Stressoren unter Laborbedingungen

Seit inzwischen mehr als dreißig Jahren ist bekannt, dass viele Stressoren unter Laborbedingungen eine molekulare Stressantwort, welche mit der Induktion von Stressproteinen einhergeht, induzieren können (Review-Artikel von Ashburner und Bonner 1979; Nover 1984). Seit dieser Zeit wurden über 100.000 Fachartikel (nach Web of Science) zu diesem Thema veröffentlicht. Die meisten dieser Artikel beschäftigen sich allerdings nicht mit ökologischen oder evolutionsbiologischen Fragestellungen. Nichtsdestotrotz existiert mittlerweile eine recht gute Datenbasis zur Induzierbarkeit von Stressproteinen durch umweltrelevante Faktoren, wobei größtenteils erhöhte Umgebungstemperaturen oder umweltrelevante Schadstoffe untersucht wurden. Unstrittig ist, dass eine temperaturinduzierte Induktion von Stressproteinen bei verschiedensten Taxa (Pflanzen, Insekten, Fischen und Säugern) zu einer erhöhten Hitzetoleranz führte (Ulmasov et al. 1993; Gehring und Wehner 1995; Dahlgaard et al. 1998; Basu et al. 2002; Sun et al. 2002). Hinsichtlich Umweltschadstoffe existieren bei einer Vielzahl von Organismen Laborstudien zur Wirkung von Schwermetallen (Köhler et al. 1992; Köhler et al. 1996; Zanger et al. 1996; Eckwert et al. 1997; Schill et al. 2003), aromatischen Organika (Köhler et al. 1999b; Weber und Janz 2001; Cruz-Rodriguez und Chu 2002; Weber et al. 2002; Zheng et al. 2008), Pestiziden (Köhler et al. 1999b; Nazir et al. 2003; Mukhopadhyay et al. 2006; Saradha et al. 2008; Eder et al. 2009; Scheil et al. im Druck) und, seit den letzten Jahren, auch zu Lösungsmitteln (Hallare et al. 2004; Hallare et al. 2006) und Pharmazeutika bzw. Kosmetika (Hallare et al. 2004; Haap et al. 2008; Scheil et al. 2008). Die Induktion von Stressproteinen stellt hierbei eine Reaktion des Organismus auf den proteotoxischen Effekt des jeweiligen Stressors dar, wobei diese Reaktion sehr differenziert und nicht, wie früher vermutet, über einen An/Aus-Mechanismus erfolgt (Sørensen und Loeschcke 2001; Kristensen et al. 2002). Allerdings kann eine Erhöhung des Hsp-Levels nicht in beliebiger Intensität erfolgen. Sehr starke Intensitäten von Stressoren überlasten die molekulare Stressantwort und führen in der Folge zu Erniedrigungen der Stressproteinlevel, was nicht notwendigerweise, jedoch oftmals auf pathologische Zellschäden zurückzuführen ist (Zanger und Köhler 1996; Eckwert et al. 1997; Werner und Hinton 1999; Köhler et al. 2001). Die Induktionskinetik von Stressproteinen in Abhängigkeit von der Stressintensität (z. B. Konzentration von Schadstoffen) folgt also einer Optimumkurve, was aufgrund theoretischer Überlegungen generell für biochemische Stressreaktionen zutreffen muss. Die Kenntnis einer derartigen Kinetik ist jedoch für die Interpretation von Befunden im Freiland, in welchem üblicherweise viele interagierende Faktoren auf die Stressreaktion Einfluss nehmen, unabdingbar. Exemplarisch wurden auch in Laborversuchen Kombinationen verschiedener Stressoren (Temperatur/Chemikalien/Pathogene bzw. Parasiten) auf ihre Wirkung auf das Hsp-System untersucht (Hallare et al. 2005b; Sures und Radszuweit 2007; Eder et al. 2007), was z. T. half, Freilandbefunde einzuordnen (Köhler und Eckwert 1997). Eine Validierung der Bedeutung erhöhter Stressproteinlevel oder erhöhter Transkriptionsraten von Stressgenen für populationsbiologisch relevante Parameter, wie z. B. Mortalität oder Reproduktionsrate, fand bisher nur in Einzelfällen statt (Köhler et al. 1998).

5 Anpassung an Freilandbedingungen

Eine Simulation von Freilandbedingungen im Laborversuch ist außerordentlich schwierig. Selbst wenn Chemikalien auf der Basis von ausführlichen chemischen Analysen im Laborversuch eindosiert oder über Monate etablierte Mesokosmen (Fließrinnen) eingesetzt werden, entspricht die Stressantwort der exponierten Organismen nur ansatzweise den Verhältnissen im Freiland (Köhler et al. 2001; Schirling et al. 2006; Werner et al. 2006). Lediglich besonders naturnahe Mesokosmen (z. B. Bypass-Systeme für Fließgewässer, die von natürlichem Bachwasser durchströmt werden und somit die natürliche Variabilität der Expositionsbedingungen vergleichsweise gut abbilden) gewährleisteten gute Übereinstimmungen mit Freilandbedingungen (Köhler et al. 2001). Wie nachgewiesen werden konnte, existieren saisonal (Fader et al. 1994; Hofmann und Somero 1995; Minier et al. 2000; Köhler et al. 2001), über wenige Tage hinweg (Nguyen et al. 1994; Ferguson et al. 1998) oder in manchen Habitaten (z. B. durch Gezeiten beeinflusste Meeresküsten) sogar im tageszeitlichen Rhythmus (Schill et al. 2002; Schill et al. 2008) z. T. erhebliche Variationen im Level von Stressproteinen, die aus der Notwendigkeit physiologischer Anpassung an ökologische Bedingungen resultieren. Nichtsdestotrotz ist es unter vergleichsweise ‚stabilen‘ Bedingungen (Beprobungen in einem Zeitraum von nur wenigen Wochen, Untersuchungen in tropischen/subtropischen Ökosystemen) möglich, auch unter Freilandbedingungen verlässliche Aussagen zu proteotoxischen Potentialen in der Umwelt zu erzielen. So konnten Werner und Hinton (2000) und Werner (2004) bei der Muschel Potamocorbula amurensis einen Einfluss der Salinität zeigen. Hallare et al. (2005a) wiesen nach, dass Wasserproben aus Laguna Lake in der Nähe von Manila, Philippinen, Hsp70 bei experimentell exponierten Zebrabärblingen induzieren. Abundante Fische (Oreochromis sp., Clarias sp.) aus Lake Mariut, Ägypten, zeigten in kontaminierten Regionen im Vergleich zu Individuen einer Kontrollstelle erhöhte Hsp70-Level in Kiemen und Lebern (Abdel-Latif, Köhler, Schill und Triebskorn, unveröffentlicht). Trotz noch größerer Heterogenität von Fließgewässern existieren auch hier einige Beispiele erfolgreicher Bioindikation bei passivem Biomonitoring. In einer fünfjährigen Studie an zwei kleinen unterschiedlich belasteten Fließgewässern im süddeutschen Raum, Körsch und Krähenbach (Triebskorn et al. 2001), wiesen Bachforellen (Salmo trutta f. fario) und Bachschmerlen (Barbatula barbatula) deutlich unterschiedliche jahreszeitliche Muster hepatischer Hsp70-Level im Vergleich untereinander und zur Kontrolle auf (Köhler et al. 2001). Auch durch Kurzzeitstudien an Fließgewässern gelang es über die Bestimmung des Hsp70-Levels, Stellen erhöhter Proteotoxizität zu detektieren, so in einer Studie an Nase (Chondrostoma nasus) und Döbel (Leuciscus cephalus) im Unterlauf der Mureş, Rumänien (Köhler et al. 2007) und einer Untersuchung am Lachs (Salmo salar) im Miramichi River, New Brunswick, Canada (Lund et al. 2002). Stressproteine zeigten sich ebenso geeignet, zeitlich begrenzte Einleitungen in Gewässer zu detektieren. So wiesen Bachforellen (S. trutta f. fario) eines kleinen süddeutschen Gewässers (Katzenbach bei Rottenburg) an der Stelle vermuteter Einleitung kurz nach dem vermuteten Ereignis erhöhte Hsp70-Level in der Kieme und drei Wochen später in der Leber auf, was plausibel mit bekannten Aufnahme- und Speicherorten proteotoxischer Substanzen koinzidierte (Triebskorn et al. 2002). Über sog. ‚Transplantationsexperimente‘, bei denen abundante Individuen innerhalb von Bachläufen versetzt werden, konnte in einer Studie mit Bachflohkrebsen (Gammarus fossarum) an der bereits erwähnten Körsch gezeigt werden, dass der Hsp70-Gehalt in diesem Fall weitgehend durch die aktuelle Situation im Habitat und nur zu einem weitaus geringeren Teil durch die Vorgeschichte der transplantierten Tiere bestimmt wurde (Schill und Köhler 2004a). Allerdings existieren aus terrestrischen Ökosystemen auch Gegenbeispiele, auf die im Folgenden eingegangen werden wird.

6 Evolutionsbiologische Implikationen

Es ist zum heutigen Kenntnisstand davon auszugehen, dass Populationen die Regulation ihrer Stressantwort den Verhältnissen in ihrem Habitat durch mikroevolutive Prozesse anpassen, vorausgesetzt, dass in diesen Habitaten ein gleichförmiger, über viele Generationen wirkender Selektionsdruck besteht. Insofern divergieren die Stressproteinantworten auf identische Stressoreinwirkung zwischen vorher unbelasteten Individuen und solchen, die Populationen aus entweder mit Chemikalien belasteten Habitaten (Eckwert und Köhler 1997; Knigge und Köhler 2000) oder klimatisch extremen Gebieten (z. B. dem Hochgebirge) entstammen (Sørensen et al. 2005). Obgleich die Resultate der meisten Arbeiten auf diesem Gebiet einander entsprechen, scheint die Richtung dieser evolutiven Anpassung nicht völlig einheitlich zu sein: Während bei Schnecken der Gattung Tegula thermotolerante Arten höhere Hsp70-Level zeigten (Tomanek 2005), wurde in einer Reihe von Studien nachgewiesen, dass bei über lange Zeit und viele Generationen exponierten Drosophila-Stämmen verminderte Hsp70-Expression auftrat (Bettencourt et al. 1999; Sørensen et al. 1999; Lansing et al. 2000) Das gleiche Phänomen wurde auch bei natürlichen Populationen von metallexponierten Collembolen, Asseln und Diplopoden (Köhler et al. 1999a; Köhler et al. 2000; Arts et al. 2004) und thermisch gestressten Drosophila (Sørensen et al. 2001; Zatsepina et al. 2001) gefunden. Auch gegenüber Cadmium vergleichsweise tolerante Stämme von Daphnia magna wurden nicht auf eine konstant hohe Hsp70-Produktion hin selektiert, sondern wiesen im Gegenteil nur eine sehr schwache Induzierbarkeit von Hsp70 durch Cadmium auf (Haap und Köhler, unpubliziert). Alle diese Studien legen nahe, dass ein experimentell nachgewiesener trade-off zwischen Hsp-Level und Reproduktionsrate (Krebs und Loeschcke 1994; Silbermann und Tatar 2000) wohl auch unter Freilandbedingungen existiert. Kristensen et al. (2008) wiesen nach, dass derartige Kosten insbesondere unter Freilandbedingungen in Defiziten, die unter Laborbedingungen nicht erkennbar waren, resultieren können. Vermutlich übersteigen die Kosten einer konstant hohen Hsp-Produktion deren protektive Vorteile, und deshalb ist anzunehmen, dass bei permanent exponierten Populationen ein Druck besteht, andere Wege der Toleranzentwicklung zu beschreiten. Die verminderte Expression von Hsp70, die nachweislich bei diesen Tieren nicht auf eine pathologische Schädigung metabolisch aktiver Gewebe zurückzuführen ist (Schill und Köhler 2004b) darf jedoch in keinem Fall dazu führen, die Exposition (d. h. die Intensität des Stressfaktors) zu unterschätzen: Da Stressproteine keine Marker der Exposition, sondern Effektmarker proteotoxischer Schädigung darstellen, darf auch hier nur eine Aussage zur Stresswirkung vorgenommen werden – und diese ist tatsächlich bei evolutiv angepassten Individuen deutlich geringer als bei sensitiven ‚Wildtyp‘-Phänoptypen der gleichen Spezies.

Ein zentrales Dilemma der Evolutionsbiologie besteht darin, dass stabilisierende Selektion phänotypische Variation reduziert, wobei diese Variation jedoch die Grundvoraussetzung für den Angriff der Selektion darstellt. Somit ist davon auszugehen, dass Mechanismen existieren, die in der Lage sind, diesem Effekt entgegen zu arbeiten und phänotypische Variabilität zu erhalten. Bereits in den frühen 1940er-Jahren wurde ein unbekannter Mechanismus (später ‚Waddington’s widget‘ genannt) postuliert, der phänotypische Variabilität unterdrückt, so lange bis Organismen unter Stress geraten (Waddington 1942). In der Tat wurde erhöhte phänotypische Variation unter Stress oft beobachtet (z. B. Hoffmann und Parsons, 1997; Imasheva et al. 1997; Kristensen et al. 2003), die sich auch an die nächste Generation vererbte (Hoffmann und Merilä, 1999; Bubliy et al. 2000). Eine Reihe von Studien der letzten Jahre hat gezeigt, dass die Proteinfamilie Hsp90 bei der Erklärung des Waddington’s widget-Mechanismus eine zentrale Rolle spielen könnte (Ruden et al. 2003). So zeigten Rutherford und Lindquist (1998) bei Drosophila und Queitsch et al. (2002) bei Arabidopsis thaliana, dass Individuen aus Stämmen mit verminderter Hsp90-Expression zahlreiche morphologische Variationen in ihrer Individualentwicklung aufwiesen, die unter Stress besonders drastisch ausfielen, und schlossen hieraus, dass Hsp90 in der Lage ist, bei intakter Regulation diese morphologische Variation zu unterdrücken, d. h. als Capacitors der morphologischen Variabilität zu agieren, und die Individualentwicklung in einer Weise zu ‚kanalisieren‘, dass Abweichungen von der ‚normalen‘ Entwicklung nicht zugelassen werden (Canalization). Spätere Studien wiesen nach, dass die Funktion von Hsp90 u. a. über epigenetische Mechanismen, d. h. über eine vererbbare Beeinflussung der Chromatinstruktur ausgeübt wird (Sollars et al. 2003; Ruden et al. 2005). Nach aktueller Ansicht existiert ‚kryptische‘ Variabilität auf der Basis nicht realisierter Programme in wohl allen Populationen, und diese ist durch das Fehlen ihrer phänotypischen Realisation dem direkten Angriff der Selektion entzogen und kann somit aufrecht erhalten werden (Feder 2007). Obwohl das Capacitor-Konzept bisweilen kontrovers diskutiert wird, kann als evolutionsbiologischer ‚Zweck‘ dieser ‚gepufferten‘ kryptischen Variabilität die Möglichkeit angesehen werden, in dieser Weise mehrere zufällige, neutrale oder per se sogar nachteilige Mutationen akkumulieren zu können, um die Möglichkeit zur Evolvierbarkeit (evolvability) komplexer, letztlich vorteilhafter Adaptationen, welche mehr als eine einzige Mutation benötigen, aufrecht zu halten (Lauter und Doebley 2002; Feder 2007; Rutherford et al. 2007). Dies ist insbesondere bei einer Anpassung an sich rapide wandelnde Umweltbedingungen notwendig (Moczek 2007). Nach diesem Konzept würde die Canalization unter starkem Umweltstress ihre Funktion verlieren und die ‚kryptische‘ (genetische) Variabilität eine reale phänotyische Variation hervorbringen. Es ist anzunehmen, dass auch die Stressanfälligkeit von Canalization-Mechanismen unter Selektionsdruck steht, und in der Tat konnten mathematische Modelle zeigen, dass natürliche Selektion unter bestimmten Bedingungen die Evolution von solchen Canalization-Mechanismen favorisiert, die unter Extrembedingungen versagen (Eshel und Matessi 1998).

Nach neuesten Erkenntnissen existieren neben Hsp90 eine Reihe weiterer Capacitors, deren Effekte die Wirkung von Hsp90 auf die morphologische Variabilität komplementieren (Bergman und Siegal 2003; Suzuki und Nijhout 2006). So führten z. B. Mutationen in hormonellen Signaltransduktionskaskaden ebenfalls zu höherer morphologischer Variation (Suzuki und Nijhout 2006). Die Rolle der Stressproteinfamilie Hsp90 ist weitgehend unumstritten (Sangster und Queitsch, 2005; Rutherford et al. 2007), jedoch hat möglicherweise auch die Hsp70-Familie ähnliche Bedeutung, wie Ergebnisse bei Drosophila zum Auftreten morphologischer Missbildungen nahelegen (Roberts und Feder 1999). Trotz dieser in den letzten Jahren erzielten Ergebnisse ist das Potential von Capacitors bei Adaptationsprozessen gegenüber Umweltstressoren immer noch unbekannt, wie bereits vor einiger Zeit von Mitchell-Olds und Knight (2002) festgestellt wurde. Der Zusammenhang zwischen den Hsp90- und Hsp70-Leveln und phänotypischer Variation bei natürlichen Populationen in ihrem Lebensraum wurde bisher nur in einer Studie von Köhler et al. (2009) bzw. einer assoziierten Untersuchung an Cepaea hortensis (Lazzara, 2007) untersucht. Hier zeigte sich an bislang fünf Populationen terrestrischer Helicidae s. l. eine gute Korrelation zwischen der Höhe der maximalen Hsp70-Reaktion und der morphologischen Variabilität des Schalenmusters (Köhler et al. 2009, Abb. 3), was dafür spricht, dass Hsp70 eine Komponente von Waddington’s widget auch unter natürlichen Einflüssen darstellen könnte. Für eine umfassende Aussage ist jedoch der Datensatz in den nächsten Jahren deutlich zu vergrößern. In jedem Fall jedoch spielen Stressproteine bei der physiologischen und evolutionsbiologischen Anpassung von Organismen an die in ihrem Habitat vorherrschenden Bedingungen eine zentrale Rolle.
Abb. 3

Unterschiede in der Variation des Schalenmusters bei Populationen mediterraner Heideschnecken. Eine Population von Xeropicta derbentina (links) ohne nennenswerte Variation im Schalenmuster sowie eine stark polymorphe Population von Cernuella virgata (rechts)

Notes

Authors’ Affiliations

(1)
Physiologische Ökologie der Tiere, Universität Tübingen

Literatur

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© Springer-Verlag 2009