Wie unsere Rücken-Bauch-Achse entstand

Damit Zellen in unserem Körper wissen, wo sie sind und was sie werden sollen, werden früh in der Embryonalentwicklung zwei Körperachsen angelegt. In einer aktuellen Publikation im Fachjournal “Cell Reports” haben nun der Entwicklungsbiologe Ulrich Technau und seine KollegInnen durch die Analyse von Seeanemonen den evolutionären Ursprung der zweiten Körperachse von Mensch und Tier aufgedeckt: Jenes System aus Signalmolekülen, das beim Menschen und den meisten Tieren für die Bildung der Rücken-Bauch-Körperachse verantwortlich ist, entwickelte sich bereits vor 600 Millionen Jahren in dem gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Seeanemone. Die Seeanemonen nutzen dieses abgewandelte Gradientensystem allerdings für ihre ganz eigene, zweite Körperachse.

Mittels Analyse von Seeanemonen konnte nun der Ursprung der zweiten Körperachse von Mensch und Tier aufgedeckt werden (Image copyright: Grigory Genikhovich).

Mittels Analyse von Seeanemonen konnte nun der Ursprung der zweiten Körperachse von Mensch und Tier aufgedeckt werden (Image copyright: Grigory Genikhovich).

Die meisten Tiere haben eine dorso-ventrale Körperachse (Rücken-Bauch-Achse), die unter anderem die Lage des zentralen Nervensystems, bei uns Menschen das Gehirn und das Rückenmark, bestimmt. Erstaunlicherweise wird diese Achse von Wirbeltieren und Insekten durch die gleichen Signalmoleküle aus der Familie der Bone morphogenetic protein (BMP)-Moleküle aufgebaut, weshalb man davon ausgeht, dass dieser Mechanismus schon in gemeinsamen Vorfahren von Insekten und Wirbeltieren auftrat. Diese Signalmoleküle bestimmen die Position des zentralen Nervensystems – dorsal bei Wirbeltieren, ventral bei Insekten und Würmern.

Aufbauend auf der Erkenntnis, dass alle tierischen Lebewesen über einen ähnlichen Genpool verfügen, analysierten die WissenschafterInnen die Funktion der BMPs während der embryonalen Entwicklung der Seeanemone. “Durch die Analyse der Embryogenese von Seeanemonen haben wir erstaunliche Einblicke in die Evolution von Körperachsen gewinnen können”, so Ulrich Technau vom Department für Molekulare Evolution und Entwicklung an der Universität Wien.

Die Autoren der aktuellen Publikation: Grigory Genikhovich und Ulrich Technau (Copyright: Adrien Demilly).

Die Autoren der aktuellen Publikation: Grigory Genikhovich und Ulrich Technau (Copyright: Adrien Demilly).

Sowohl Längs- als auch Querachse
Seeanemonen gehören zu den Nesseltieren, wie auch Korallen, Hydren oder Quallen, und sind vor mindestens 600 Millionen Jahren entstanden. Sie gelten in vielen Lehrbüchern als radiärsymmetrisch, d.h. sie sind nur durch eine offensichtliche Körperachse, die oral-aborale (Kopf-Fuß)  Achse gekennzeichnet. Bei den neuesten Untersuchungen fanden die ForscherInnen, dass die Seeanemone Nematostella vectensis sogar mehrere verschiedene BMP-Moleküle und Gegenspieler, sogenannte BMP-Antagonisten, besitzt. Diese Signalmoleküle bauen in einem frühen Entwicklungsstadium durch ein komplexes Interaktionsnetzwerk, einen Aktivitätsgradienten auf, “allerdings überraschenderweise quer zur oral-aboralen Hauptachse des Tieres”, wie Ulrich Technau erklärt: “Dadurch wird in den Seeanemonen eine innere Querachse aufgebaut. Hierfür gibt es ein erstaunlich komplexes System aus mehreren sich gegenseitig regulierenden Komponenten”.

Oben: Das BMP-Signalmolekul codierendes NvDpp-Gen und ein durch BMP- Signalweg gesteuertes NvHoxE-Gen sind in der Seeanemonenlarve auf den gegenüberliegenden Enden der zweiten Körperachse aktiv. Mitte: BMP-Signalweg funktioniert am stärksten (rote Färbung) auf der "NvHoxE-Seite" (grüne Färbung) der Larve, also direkt gegenüber davon, wo das NvDpp- Gen aktiv ist. Unten: Mit ausgeschaltetem NvDpp verschwindet BMP-Signal (rote Färbung) und auch NvHoxE-Protein (grüne Färbung), dessen Gen wird durch BMP-Signal reguliert (Image copyright: Grigory Genikhovich).

Oben: Das BMP-Signalmolekul codierendes NvDpp-Gen und ein durch BMP- Signalweg gesteuertes NvHoxE-Gen sind in der Seeanemonenlarve auf den gegenüberliegenden Enden der zweiten Körperachse aktiv. Mitte: BMP-Signalweg funktioniert am stärksten (rote Färbung) auf der “NvHoxE-Seite” (grüne Färbung) der Larve, also direkt gegenüber davon, wo das NvDpp- Gen aktiv ist. Unten: Mit ausgeschaltetem NvDpp verschwindet BMP-Signal (rote Färbung) und auch NvHoxE-Protein (grüne Färbung), dessen Gen wird durch BMP-Signal reguliert (Image copyright: Grigory Genikhovich).

Septen statt Nervensystem
Die AutorInnen schließen aufgrund von molekular-genetischen Analysen, dass der BMP-Signalweg von Vertretern dieser alten tierischen Linie wie eben den Seeanemonen bereits für die Bildung einer zweiten Achse genutzt wird, aber anders interpretiert wird als bei Wirbeltieren. Statt eines Nervenssytems wird die Position von mehreren inneren Einfaltungen, sogenannten Septen oder Mesenterien, festgelegt, in denen sich die Längsmuskeln und die Gonaden bilden.

Verblüffenderweise werden hierzu mehrere sogenannte “Hox-Gene” aktiviert, die bei den meisten Tieren entscheidend entlang der Hauptachse (anterior-posterioren Achse), die segmentalen Ausprägungen, wie Rippen, Arme und Beine festlegen. Diese Verknüpfung eines dorso-ventralen Signalwegs mit konservierten Regulatorgenen der anterior-posterioren Achse, ist überraschend und neu. Die ForscherInnen fragten sich nun weiter, wie sich solche Netzwerke von Regulator-Molekülen über Jahrhunderte von Millionen Jahren verändern können, um schließlich trotz ähnlicher Funktionsweise unterschiedliche Strukturen in verschiedenen Tieren zu erzeugen.

In Kollaboration mit Mathematikern von der ETH Zürich  konnten die Autoren mittels mathematischer Modellierungen zeigen, welche Teile dieses Netzwerks bis heute konstant geblieben sind und welche sich abwandeln konnten, um neue Funktionen in der Evolution hervorzubringen.

“Das BMP-Netzwerk der Seeanemonen ist also nicht nur ein Beispiel für ein Signalsystem, das über 600 Millionen Jahre in den Aufbau der Körperachsen involviert ist, sondern wir lernen auch daraus, wie sich solche wichtigen Netzwerke weiter entwickeln können”, so Technau abschließend.

Publikation in “Cell Reports”:
Axis Patterning by BMPs: Cnidarian Network Reveals Evolutionary Constraints. Grigory Genikhovich, Patrick Fried, M. Mandela Prünster, Johannes B. Schinko, Anna F. Gilles, David Fredman, Karin Meier, Dagmar Iber und Ulrich Technau. In: Cell Reports 10. 1-9, 17. März 2015.
DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2015.02.035

*Source: Universität Wien

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