Der genetische Bauplan für den dreidimensionalen Körper: Jenaer Forschende rekonstruieren uralten Mechanismus der Embryonalentwicklung
Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben einen grundlegenden Mechanismus der Embryonalentwicklung bei einer der frühesten heute lebenden Tierlinien nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein zentrales biologisches Koordinatensystem zur Ausbildung der Körperachsen bereits bei Rippenquallen existiert. Über die Studie berichtet das Forschungsteam in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Nature“.
Die Untersuchung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie sich vielzellige Tiere im Verlauf ihrer Entwicklung organisieren. Im Mittelpunkt steht der sogenannte Organisator, ein embryonales Signalzentrum, das festlegt, wo sich bei einem entstehenden Organismus oben und unten, links und rechts sowie vorne und hinten befinden. Dieser Mechanismus gilt als eine der grundlegenden Voraussetzungen für die Ausbildung komplexer Körperstrukturen.
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Organisator steuert die Ausbildung der Körperachsen
Bereits 1924 entdeckten der Biologe Hans Spemann und seine Schülerin Hilde Mangold den Organisator während ihrer Untersuchungen an Lurch-Embryonen. In ihren Experimenten transplantierten sie Gewebe aus dem Bereich des Blastoporus in einen anderen Embryo. Das Ergebnis war die Ausbildung einer zweiten Körperachse.
Die Forschenden schlossen daraus, dass bestimmte Zellgruppen während früher Entwicklungsstadien die räumliche Organisation des gesamten Körpers steuern. Für diese Entdeckung erhielt Hans Spemann 1935 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Hilde Mangold, die maßgeblich an den Experimenten beteiligt war und zuvor an der Universität Jena studiert hatte, erlebte diese Auszeichnung nicht mehr. Sie kam bereits 1924 im Alter von 25 Jahren bei einem Brandunfall ums Leben.
Jenaer Forschungsteam wiederholt historisches Experiment an Rippenquallen
Das Team der Universität Jena übertrug das historische Experiment auf Rippenquallen. Diese Tiergruppe, wissenschaftlich als Ctenophora bezeichnet, nimmt in der Evolutionsforschung eine besondere Stellung ein. Nach aktuellem Kenntnisstand bilden Rippenquallen die Schwestergruppe aller übrigen vielzelligen Tiere.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler transplantierten Teile des Blastoporus aus einem Rippenquallen-Embryo in einen anderen Embryo derselben Art. Das Ergebnis entsprach den Beobachtungen von Spemann und Mangold: Auch hier entstand eine zweite Körperachse.
Zusätzlich markierte das Team die transplantierten Zellen farblich. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die übertragenen Zellen andere Zellen im Wirtsgewebe beeinflussen und Entwicklungsprozesse auslösen. Die Versuche belegen, dass der Organisator auch bei dieser sehr frühen Tierlinie aktiv ist.
„Mit unseren Experimenten konnten wir zeigen, dass dieser Schlüsselmechanismus, der die Achsen des ganzen Körpers koordiniert, in der Evolution bis zum Beginn der Vielzelligkeit der Tiere zurückreicht“, erklärt der Evolutionsbiologe Prof. Dr. Andreas Hejnol, Leiter des Forschungsteams.
Hinweise auf einen Ursprung vor rund 700 Millionen Jahren
Die Ergebnisse besitzen hohe Bedeutung für die Evolutionsbiologie. Die Stammlinie der Rippenquallen trennte sich nach derzeitigen Erkenntnissen bereits vor rund 700 Millionen Jahren von jener Linie, aus der später viele andere Tiergruppen hervorgingen.
Der Nachweis des Organisators bei Rippenquallen deutet darauf hin, dass zentrale Mechanismen der Körperentwicklung bereits sehr früh in der Geschichte der vielzelligen Tiere entstanden sein könnten. Damit rückt der Ursprung komplexer Entwicklungsprozesse deutlich weiter in die Vergangenheit, als viele Forschende bislang nachweisen konnten.
Technische Herausforderung bei mikroskopisch kleinen Embryonen
Die Durchführung der Experimente erforderte außergewöhnliche Präzision. Die untersuchte Rippenquallenart erreicht zwar eine Körpergröße von bis zu zwölf Zentimetern, ihre Embryonen messen jedoch lediglich etwa 120 Mikrometer. Damit sind sie nur geringfügig größer als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
Die transplantierten Gewebeproben hatten sogar nur eine Größe von etwa 20 Mikrometern. Dr. Stanislav Kremnyov gelang es, diese winzigen Zellverbände präzise in das Gewebe anderer Embryonen einzusetzen. Dabei mussten die Zellen unmittelbar integriert werden, damit sie vom Wirtsorganismus nicht abgestoßen wurden.
Andreas Hejnol beschreibt die Herausforderung mit einem Vergleich, den ein Redakteur des Fachjournals „Nature“ während des Begutachtungsprozesses äußerte: „Der Redakteur von Nature vermutete, dass sich diese Experimente angefühlt haben müssen, als seziere man Wolken.“
Erfolgreiche Xenotransplantation zwischen verschiedenen Tiergruppen
Besonders bemerkenswert war ein weiteres Experiment des Forschungsteams. Die Forschenden transplantierten den Organisator einer Rippenqualle in den Embryo einer Seeanemone.
Auch in diesem Fall führte die Gewebeübertragung zur Ausbildung einer zusätzlichen Körperachse. Damit funktionierte der Organisator selbst zwischen zwei evolutionär weit voneinander entfernten Tiergruppen.
Die Stammlinie der Nesseltiere, zu denen die Seeanemonen gehören, spaltete sich etwa 60 Millionen Jahre nach jener der Rippenquallen ab. Dennoch blieb der grundlegende Mechanismus offenbar über enorme Zeiträume hinweg erhalten.
„Eine solche Xenotransplantation – also die Gewebeübertragung von einer Tiergruppe auf eine andere – über so viele Millionen Jahre hinweg wurde vorher noch nie gezeigt“, sagt Andreas Hejnol.
Neues Gen für die Organisatorbildung identifiziert
Im Rahmen der Untersuchungen gelang dem Team zudem ein weiterer wissenschaftlicher Fortschritt. Die Forschenden identifizierten erstmals das Gen, das für die Bildung des Organisators bei der Seeanemone verantwortlich ist.
Damit eröffnet die Studie neue Möglichkeiten, die genetischen Grundlagen der Embryonalentwicklung und die Evolution komplexer Körperformen genauer zu untersuchen.
Neue Einblicke in die Entstehung komplexer Tiere
Die Ergebnisse der Universität Jena liefern Hinweise darauf, dass die grundlegenden Bauprinzipien komplexer Organismen bereits am Ursprung der vielzelligen Tiere vorhanden waren.
Der Organisator, der die räumliche Entwicklung eines Embryos steuert, existiert demnach nicht nur bei Wirbeltieren und anderen modernen Tiergruppen. Seine Wurzeln reichen offenbar bis zu den frühesten Entwicklungsstufen tierischen Lebens zurück.
Die in „Nature“ veröffentlichten Forschungsergebnisse erweitern das Verständnis der Evolution von Vielzellern und liefern neue Erkenntnisse über die Entstehung biologischer Strukturen, die bis heute die Entwicklung nahezu aller Tiere prägen.
Info, UNI Jena | Fotos, Lisa-Marie Barf / Universität Jena und Illustrationen via KI | Veranstaltungen im Eventkalender
