Forschende identifizieren Pangu als Gen, das die männliche Entwicklung beim Karpfen bestimmt

Ein winziges Gen steuert eine wichtige Entwicklungsentscheidung

Ein Gen, das für ein Peptid mit nur 76 Aminosäuren codiert, kann laut einer in Science Advances veröffentlichten Studie bestimmen, ob sich beim Karpfen Hoden oder Eierstöcke entwickeln. Das Gen namens pangu liegt in einem 1.487 Basenpaare langen DNA-Abschnitt auf dem Y-Chromosom. Wurde es deaktiviert, entwickelten genetisch männliche Karpfen Eierstöcke. Wurde es genetisch weiblichen Karpfen übertragen, entwickelten diese Hoden.

Die Entdeckung ist das erste experimentell bestätigte übergeordnete Gen für die Geschlechtsbestimmung bei den Cyprinidae, einer großen und weit verbreiteten Familie von Süßwasserfischen. Die stärksten Belege stammen aus Versuchen mit Karpfen aus dem Gelben Fluss; ergänzende Funktionstests wurden an roten Karpfen und Koi durchgeführt. Die Ergebnisse belegen nicht, dass alle Arten dieser Familie dasselbe Gen nutzen.

Professor Hu Wei von der Shanghai Ocean University leitete die Zusammenarbeit mit dem Institut für Hydrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und weiteren Einrichtungen. Der Arbeit gingen mehr als zehn Jahre Forschung voraus. Die Forschenden benannten das Gen nach Pangu, dem Urgott der chinesischen Mythologie, der Himmel und Erde voneinander trennte. Der Name spiegelt die Rolle des Gens beim Einleiten der männlichen Entwicklung wider.

Die Studie in Science Advances mit dem Titel A helix-loop-helix gene orchestrates male fate in common carp erschien in Band 12, Ausgabe 41. Laut den bibliografischen Angaben der Zeitschrift ist das Veröffentlichungsdatum der 9. Oktober 2026; Mitteilungen geben den 10. Oktober nach Pekinger Zeit an. Die Datumsangaben sind mit einem Zeitunterschied vereinbar.

Warum es schwierig war, den Schalter zu finden

Beim Karpfen wird das genetische Geschlecht durch ein XX/XY-System bestimmt: Weibchen tragen üblicherweise zwei X-Chromosomen, Männchen ein X- und ein Y-Chromosom. Diese Kenntnis verriet jedoch noch nicht, welches Gen das sich entwickelnde Fortpflanzungsorgan in Richtung Hoden statt Eierstöcke lenkt.

Vor dieser Arbeit beschrieben die veröffentlichten Karpfengenome, auf die sich die Studie bezieht, XX-Weibchen. Den Forschenden fehlte damit ein Referenzgenom eines Männchens mit der benötigten Y-Chromosomsequenz. Wiederholte DNA-Sequenzen und das verdoppelte Genom der Art erschwerten die Suche zusätzlich.

Karpfen sind allotetraploid: Ihr Genom vereint zwei ursprüngliche Chromosomensätze, die als A und B bezeichnet werden und durch Hybridisierung zusammenkamen. Laut Studie trennten sich diese Abstammungslinien vor etwa 23 Millionen Jahren; vor rund 12,4 Millionen Jahren verschmolzen sie. Ähnliche Gen- und DNA-Abschnitte können die Suche nach einer Sequenz erschweren, die spezifisch mit Männchen verbunden ist.

Diese Forschungslücke fiel auf, weil bei anderen Fischen bereits Gene für die Geschlechtsbestimmung bekannt waren. In der Einleitung der Studie werden mindestens 28 verschiedene Gene bei rund 140 Knochenfischarten aus etwa 20 Familien aufgeführt. Pangu ergänzt dieses Bild um einen bislang fehlenden Baustein bei den Karpfenfischen, begründet aber keine allgemeingültige Regel für Fische.

Von 101 Fischen zu einem kleinen Einschub auf dem Y-Chromosom

Das Team erstellte zunächst ein Genom eines männlichen Karpfens aus dem Gelben Fluss mit 1,67 Milliarden DNA-Basen auf 50 Chromosomensequenzen. Anschließend sequenzierte es 50 männliche und 50 weibliche Geschwister sowie deren Mutter erneut. Die Vergleichsgruppe umfasste damit 101 Fische.

Durch den Vergleich der Häufigkeit von DNA-Fragmenten bei Männchen und Weibchen identifizierten die Forschenden zunächst 428 mögliche Fragmente, die spezifisch bei Männchen vorkamen. Zwei vielversprechende Kandidaten wählten sie für weitere Prüfungen aus. Ein bestätigtes Fragment mit einer Länge von 847 Basenpaaren lag innerhalb eines größeren Einschubs nahe dem Ende von Chromosom B25.

Klonierung und Sequenzierung zeigten, dass dieser größere Bereich 1.487 Basenpaare umfasste, die spezifisch bei Männchen vorkamen. Eine unabhängige Analyse der DNA-Abdeckung deutete ebenfalls auf denselben Chromosomenabschnitt hin. Untersuchungen an geografisch weit voneinander entfernten Karpfenpopulationen bestätigten den Zusammenhang der Sequenz mit Männchen.

Auch die Abbildung der Chromosomen lieferte eine Bestätigung. Eine auf die Sequenz ausgerichtete Sonde erzeugte Signale bei XY- und YY-Männchen, nicht aber bei XX-Weibchen. Bei YY-Fischen waren doppelt so viele Signale zu sehen wie bei XY-Fischen. Das entspricht der Annahme, dass die Sequenz auf dem Y-Chromosom liegt. Diese Untersuchungen verorteten den Kandidaten, doch erst Funktionsexperimente konnten zeigen, welche Rolle er spielt.

Pangu wird aktiv, bevor sich Hoden bilden

Innerhalb des Y-Chromosom-Einschubs identifizierte das Team ein Gen, das ein 447 Basen langes Transkript mit einer 231 Basen langen codierenden Sequenz hervorbringt. Diese Sequenz codiert das Pangu-Peptid mit 76 Aminosäuren. Datenbanksuchen ergaben keine signifikante Ähnlichkeit mit zuvor annotierten Genen.

Pangu enthält eine Helix-Loop-Helix-Domäne, ein Strukturmerkmal, das Proteinen dabei helfen kann, mit anderen an der Regulierung der Genaktivität beteiligten Proteinen zu interagieren. Die Analyse fand keine deutlichen Hinweise auf die benachbarte basische Region, die bei einigen Proteinen dieser Klasse üblicherweise mit direkter DNA-Bindung verbunden ist. Dieser Unterschied ist relevant für die Frage, wie Pangu nachgeschaltete Zielgene regulieren könnte.

Auch der Zeitpunkt der Genaktivität passte zu einer Rolle bei der Steuerung der Geschlechtsentwicklung. Die Transkripte waren ab dem 19. Tag nach der Befruchtung nachweisbar, also vor dem berichteten Beginn der sichtbaren Geschlechtsdifferenzierung am 35. Tag. Die Genaktivität erreichte am 64. Tag ihren Höchststand und ging nach dem 92. Tag zurück.

Die Analyse einzelner Zellen zeigte die stärkste Genaktivität in einer Untergruppe von Zellen, die als mutmaßliche Sertoli-Zellen eingeordnet wurden. Diese Stützzellen stehen mit der Hodenentwicklung in Verbindung und sind nicht die Keimzellen, aus denen später Spermien entstehen. Auch die Gewebeabbildung stützte die Verbindung mit Sertoli-Zellen. Andere bekannte Regulatoren erreichten ihren Aktivitätshöchststand später, was dazu passt, dass Pangu früh in der Entwicklungsabfolge wirkt.

Das Entfernen und Einbringen des Gens kehrte die Entwicklung um

In den entscheidenden Experimenten wurde der vermutete Schalter in beide Richtungen getestet. Mithilfe der CRISPR-Genomeditierung störten die Forschenden pangu bei XY-Karpfen. Ab dem 35. Tag nach der Befruchtung bildeten sich in den sich entwickelnden Keimdrüsen eine Eierstockhöhle und ein für Eierstöcke typisches Entwicklungsmuster. Schließlich entstanden Eierstöcke mit Anzeichen einer Eizellentwicklung.

Die Veränderungen gingen über das Erscheinungsbild des Gewebes hinaus. Das Gen foxl2, das mit der weiblichen Differenzierung verbunden ist, wurde aktiver; die männlichen Differenzierungsgene amh und dmrt1 waren weniger aktiv. Die Proteinmessungen zeigten dasselbe Muster. Der Testosteron- und der 11-Ketotestosteronspiegel sanken, während der Östradiolspiegel stieg. Damit ähnelte das Hormonprofil dem von Weibchen.

In einem separaten Experiment an YY-Karpfen ließen die Forschenden eine funktionsfähige Kopie von pangu intakt. Bei diesen Fischen verlief die Entwicklung der männlichen Keimdrüsen normal. Das stützt den Befund, dass unter den getesteten Bedingungen eine verbliebene funktionsfähige Kopie den männlichen Entwicklungsweg aufrechterhalten konnte.

Für den Versuch in die umgekehrte Richtung übertrug das Team eine DNA-Konstruktion mit pangu und angrenzenden Sequenzen in XX-Fische. Diese genetisch weiblichen Karpfen entwickelten Hoden mit Anzeichen für Spermienbildung sowie männliche Muster der Gen-, Protein- und Hormonaktivität. Das Einbringen von pangu stellte auch die Hodenentwicklung bei XY-Mutanten ohne funktionsfähige Genkopie wieder her.

Zusammengenommen zeigen die Experimente, dass pangu bei den getesteten Karpfen für die männliche Geschlechtsbestimmung notwendig und hinreichend ist: Wird seine Funktion entfernt, entwickelt sich der Fisch in Richtung Eierstöcke; wird das Gen eingebracht, kann sich die Entwicklung in Richtung Hoden wenden. Die Chromosomen selbst werden dabei nicht von XX zu XY oder umgekehrt verändert; es ändert sich das Entwicklungsergebnis.

Die Hemmung eines Eierstock-Entwicklungswegs erklärt die Wirkung mit

Die Studie benennt cyp19a1a als frühes nachgeschaltetes Ziel von Pangu. Dieses Gen codiert die ovarielle Aromatase, ein Enzym, das an der Östrogenbildung beteiligt ist. Seine Aktivität unterstützt die Differenzierung der Eierstöcke. Damit ist es ein plausibler Ansatzpunkt, über den ein frühes männliches Entwicklungssignal den Verlauf verändern könnte.

Unterschiede in der Aktivität von cyp19a1a waren bereits am 19. Tag nach der Befruchtung sichtbar. Bei XY-Fischen mit gestörtem pangu stieg die Genaktivität; bei XX-Fischen, in die das Gen eingebracht worden war, sank sie. Bei mehreren anderen Genen, die mit der Geschlechtsdifferenzierung verbunden sind, zeigten sich keine vergleichbaren frühen Veränderungen.

In Versuchen mit menschlichen Laborzellen und einer Zelllinie aus Koi-Flossen verringerte Pangu die Aktivität der regulatorischen Bereiche beider cyp19a1a-Kopien. Eine Pangu-Mutante ohne intakte Helix-Loop-Helix-Domäne verlor diese Fähigkeit. Das verknüpft die Struktur des Peptids mit seiner regulatorischen Wirkung.

Der aussagekräftigste Test fand an den Fischen selbst statt. Wurde cyp19a1a bei XY-pangu-Mutanten gestört, entwickelte sich wieder Hodengewebe, obwohl der vermutete männliche Schalter fehlte. Diese genetische Rettung ordnet cyp19a1a dem Gen pangu nach: Wird der Eierstock-Entwicklungsweg blockiert, kann dies das fehlende übergeordnete Signal umgehen. Die Belege stützen einen Mechanismus, bei dem Pangu die männliche Entwicklung zumindest teilweise durch die Unterdrückung von cyp19a1a fördert. Noch sind jedoch nicht alle beteiligten molekularen Schritte geklärt.

Wie weit reicht der Befund über Karpfen aus dem Gelben Fluss hinaus?

Die Forschenden wiesen pangu bei Männchen aus Vertretern beider großen Unterarten des Karpfens nach. Dazu gehörten Karpfen aus dem Gelben Fluss, rote Karpfen und Koi aus der ostasiatischen Gruppe sowie deutsche Spiegelkarpfen aus der europäischen Gruppe. Außerdem identifizierten sie bei einer weiteren Art der Gattung, Cyprinus acutidorsalis, eine Sequenz, die spezifisch bei Männchen vorkommt.

Rote Karpfen und Koi wurden zusätzlich funktionell untersucht. Das Entfernen und Einbringen von pangu führte jeweils in die entgegengesetzte Richtung zu einer Geschlechtsumkehr und entsprach damit den Ergebnissen bei Karpfen aus dem Gelben Fluss. Diese Experimente liefern stärkere Belege für eine gemeinsame Funktion als der bloße Nachweis der DNA-Sequenz.

Diese Unterscheidung begrenzt, wie weit sich die Ergebnisse verallgemeinern lassen. Die Studie beschreibt einen konservierten männlichen Schalter innerhalb der Gattung Cyprinus. Die detaillierten wechselseitigen Versuche zur Geschlechtsumkehr betreffen dagegen Karpfen aus dem Gelben Fluss, rote Karpfen und Koi. Der Nachweis bei deutschen Spiegelkarpfen und Cyprinus acutidorsalis erweitert die genetischen Belege, entspricht aber nicht derselben Reihe von Funktionstests.

Dass es sich um das erste bestätigte übergeordnete Gen für die Geschlechtsbestimmung in der Familie Cyprinidae handelt, bedeutet ebenso wenig, dass Pangu das Geschlecht in der gesamten Familie bestimmt. Die Entdeckung bietet einen Ausgangspunkt, um zu prüfen, welche verwandten Fische denselben Schalter nutzen und welche andere Mechanismen verwenden.

Ein Marker aus dem Jahr 2009 war ein früher Hinweis, aber kein Beweis für ein übergeordnetes Gen

Eine Markerstudie aus dem Jahr 2009, erschienen in Molecular and Cellular Probes, hatte bereits ein DNA-Fragment identifiziert, das spezifisch bei männlichen Karpfen vorkam. Die Forschenden untersuchten 220 zufällige Primer und fanden heraus, dass Primer S2107 bei Männchen ein 909 Basenpaare langes Fragment erzeugte.

Das Muster wurde bei 30 Fischen aus drei Karpfenbeständen beobachtet. Weitere Amplifikations- und Hybridisierungstests stützten den Zusammenhang mit Männchen. Das Fragment wies nur eine geringe Ähnlichkeit mit einer repetitiven Sequenz des Zebrabärblings auf; bei Graskarpfen wurden keine Hybridisierungssignale festgestellt.

Die Arbeit schlug die Sequenz als Werkzeug zur Bestimmung des genetischen Geschlechts von Karpfen aus dem Gelben Fluss vor. Ein Marker kann jedoch gemeinsam mit einem Geschlechtschromosom vererbt werden, ohne die männliche Entwicklung zu verursachen. Die neue Studie geht weiter: Sie identifiziert ein exprimiertes Gen und zeigt, dass das Entfernen oder Einbringen seiner Funktion die Entwicklung der Keimdrüsen verändert. Die hier beschriebenen Belege zeigen nicht, dass der 909 Basenpaare lange Marker und der neu definierte 1.487 Basenpaare lange Bereich dieselbe Sequenz sind.

Zwischen den Forschungsmeilensteinen liegen Jahre; die Veröffentlichungsdaten bezeichnen dieselbe Veröffentlichung zu unterschiedlichen Zeitzonen:

• Oktober 2009: Die frühere Studie berichtete über einen 909 Basenpaare langen DNA-Marker, der mit männlichen Karpfen verbunden ist.
• 9. Oktober 2026: Science Advances führt die Veröffentlichung der Pangu-Studie in Band 12, Ausgabe 41 auf.
• 10. Oktober 2026, Pekinger Zeit: Mitteilungen geben dieses Datum für die Veröffentlichung der neuen Ergebnisse an.
• 11. Oktober 2026: In einem öffentlichen Beitrag wurden die Entdeckung und die mehr als zehnjährige Forschung beschrieben.

Was noch ungeklärt ist

Die Belege für Pangus Rolle bei der Entwicklung sind stärker als die derzeitige Erklärung seiner genauen molekularen Wirkungsweise. Die Studie zeigt eine Unterdrückung der Aktivität von cyp19a1a sowie eine genetische Rettung, die beide Gene miteinander verbindet. Noch ist nicht geklärt, ob Pangu direkt an die betreffende regulatorische DNA bindet oder über andere Proteine wirkt.

Die Autoren benennen auch eine offene Frage zu den Zellen, in denen pangu aktiv ist. Seine geringe und begrenzte Aktivität könnte auf eine seltene oder vorübergehende Zellpopulation in der sich entwickelnden Sertoli-Zelllinie zurückzuführen sein. Eine Klärung, ob diese Zellen einem frühen Vorläuferstadium entsprechen, würde helfen zu erklären, wie ein kleines auslösendes Signal zur Hodenbildung führt.

Chen Kuangxin, Postdoktorand an der Shanghai Ocean University, und Chen Ji, beigeordneter Wissenschaftler am Institut für Hydrobiologie, sind die gemeinsamen Erstautoren. Hu Wei, Zhu Zuoyan, Ge Chutian von der Zhejiang Wanli University und Vance L. Trudeau von der University of Ottawa sind die korrespondierenden Autoren. Das Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften He Shunping und weitere Fachleute unterstützten die Arbeit mit Beratung und Hilfe.

Ein Zeitplan für die nächsten Experimente wurde nicht genannt. Das zentrale Ergebnis wird bereits durch die Lokalisierung auf dem Chromosom, die frühe Genaktivität und wechselseitige Funktionstests gestützt. Noch offen ist, wie Pangu diese Rolle ausübt und wie weit der Mechanismus über die untersuchten Karpfengruppen hinaus verbreitet ist.

Die wichtigsten Punkte

• Pangu ist das erste experimentell bestätigte übergeordnete Gen für die Geschlechtsbestimmung, das bei den Cyprinidae identifiziert wurde.
• Es codiert ein Peptid mit 76 Aminosäuren innerhalb eines 1.487 Basenpaare langen Bereichs auf dem Y-Chromosom des Karpfens.
• Wurde pangu gestört, entwickelten XY-Karpfen Eierstöcke; wurde das Gen in XX-Karpfen eingebracht, entwickelten sich Hoden.
• Die Störung des Gens cyp19a1a, das am Eierstock-Entwicklungsweg beteiligt ist, stellte bei pangu-Mutanten die Hodenentwicklung wieder her.
• Funktionstests an roten Karpfen und Koi stützen eine gemeinsame Rolle. Die Ergebnisse belegen jedoch keinen allgemeinen Mechanismus für die gesamte Familie.
• Der genaue molekulare Weg, über den Pangu cyp19a1a unterdrückt, ist noch ungeklärt.