Hefen auf Partnersuche

Pheromone steuern unterschiedliches Paarungsverhalten in isogamer Hefe

11. Juni 2021

Forscher des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie haben überraschende Unterschiede im Paarungsverhalten von einzelligen Hefen entdeckt. Ihre Ergebnisse, die in der aktuellen Ausgabe von "Science Advances" veröffentlicht wurden, liefern möglicherweise neue Erkenntnisse über die evolutionären Ursprünge des Sexualdimorphismus in höheren Eukaryonten.

"Wenn Hefen küssen“: Zwei haploide Hefezellen unterschiedlichen Paarungstyps nähern sich einander zur Paarung an.

Ähnlich wie höhere Organismen kommunizieren die beiden unterschiedlichen Paarungstypen von Hefen, indem sie sexuelle Pheromone absondern und wahrnehmen. Im Gegensatz zu höheren Eukaryonten sind Einzeller wie die Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) jedoch "isogam": Unter dem Mikroskop betrachtet, sehen die Keimzellen (Gameten) beider Hefe-Geschlechter, die man hier als MATa und MATα bezeichnet, exakt gleich aus.

Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass Anisogamie – der Größenunterschied zwischen männlichen und weiblichen Gameten - der wesentliche Ausgangspunkt für die Evolution unterschiedlichen Sexualverhaltens beider Geschlechter war. Daher nahm man an, dass die Paarungstypen von S. cerevisiae nicht nur äußerlich, sondern auch in ihrem Verhalten symmetrisch sind. 

Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Victor Sourjik vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie und seinem ehemaligen Postdoktoranden Alvaro Banderas, jetzt am Institut Curie in Paris, eine bisher unentdeckte Verhaltensasymmetrie festgestellt, die allein aus molekularen Unterschieden in der Pheromon-Signalübertragung zwischen den beiden Paarungstypen resultiert. Diese Erkenntnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der Evolution des Sexualdimorphismus in höheren Organismen haben. 

Die Entstehung von asymmetrischem Sexualverhalten und Darstellung der asymmetrischen Pheromonsignalkomponenten in S. cerevisiae. (A) Mögliche alternative Entstehungswege von asymmetrischem Paarungsverhalten, ausgehend von der Paarung zwischen morphologisch identischen (isogamen) Gameten/ Paarungstypen. Üblicherweise wird angenommen, dass Anisogamie mit unterschiedlich großen Gameten eine notwendige Voraussetzung für die Entstehung von asymmetrischem Sexualverhalten durch sexuelle Selektion war. Alternativ könnte asymmetrisches Paarungsverhalten jedoch bereits in isogamen Organismen aufgrund von molekularen Asymmetrien zwischen den Gameten entstanden sein. (B) Asymmetrische Paarungsdeterminanten der Paarungstypen in Saccharomyces cerevisiae. Molekulare Komponenten, die von MATa- bzw. MATα-Zellen exprimiert werden, sind in rot bzw. blau dargestellt und umfassen die Paarungspheromone (a-Faktor und α-Faktor), deren Rezeptoren (Ste2 und Ste3) und eine diffusionsfähige α-Faktor-Protease Bar1, die ausschließlich von MATa-Zellen sezerniert wird. Man beachte, dass a-Faktor aufgrund seiner Prenylierung (gekennzeichnet durch die hydrophobe Kette) wesentlich hydrophober ist als α-Faktor.
 

Bei der Paarung von Hefen werden a- und α-Pheromone abgegeben, welche die Interaktionen zwischen den beiden Typen MATa und MATα auslösen. Obwohl die Pheromone und ihre jeweiligen Rezeptoren chemisch unterschiedlich sind, ist der Rest des Pheromon-Signalwegs (eines der am besten untersuchten Modelle für eukaryotische Signalübertragung)  für beide Paarungstypen gleich. Es wurde daher angenommen, dass in der Hefe, wie auch in anderen isogamen eukaryotischen Mikroorganismen, molekulare Unterschiede zwischen den a- und α-Pheromonen und ihren Rezeptoren zwar notwendig sind, um die Selbstinkompatibilität zwischen den beiden Paarungstypen zu gewährleisten, aber keine weiteren funktionellen Konsequenzen haben.

"Unsere ursprüngliche Absicht war es eigentlich, zu bestätigen, dass das Verhalten beider Paarungstypen ähnlich ist. Doch zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass es sich deutlich unterscheidet", berichtet Alexander Anders, Erstautor des Forschungsbeitrags.

Bemerkenswerterweise ähneln die beobachteten Unterschiede, bei denen MATa-Zellen ein exploratives Suchverhalten und MATα-Zellen eine Gradienten-Wahrnehmung über kurze Entfernungen und eine Zellpolarisierung in Richtung des nächstgelegenen Partners zeigen, gut etablierten Asymmetrien zwischen Gameten in anisogamen Organismen.

"Es zeigt sich, dass die Verhaltensasymmetrie der Gameten nicht notwendigerweise eine Folge der Anisogamie ist, sondern ihr sogar vorausgegangen sein könnte - dies stellt die bisherigen Annahmen über die Evolution durch sexuelle Selektion als alleinigen Entstehungsmechanismus von Unterschieden im Paarungsverhalten zwischen den Geschlechtern in Frage", sagt Alvaro Banderas.

Mathematische Modellierungen und Computersimulationen legten nahe, dass ein solches asymmetrisches Verhalten einen selektiven Fitnessvorteil bieten könnte, indem es die Paarungseffizienz in einem breiten Spektrum von Umgebungen erhöht. "Die Verhaltensasymmetrie könnte die Häufigkeit von Paarungsbegegnungen unter verschiedenen Bedingungen maximieren, was bedeutet, dass es sich um eine evolutionär selektierte, neu entstandene Eigenschaft handeln könnte", erklärt Remy Colin, der die mathematische Modellierung durchgeführt hat. 

Was sagen uns diese Erkenntnisse über die Ursprünge des Sexualverhaltens? "Obwohl eindeutig weitere theoretische Analysen erforderlich sind, um unsere Hypothese zu testen", betont Victor Sourjik, "bietet unsere Arbeit über die Paarung eines modellhaften einzelligen Eukaryoten eine neue Perspektive darauf, was der Ausgangspunkt für die Evolution der erstaunlichen Vielfalt der heute beobachteten sexuellen Dimorphismen gewesen sein könnte".

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