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Haben Nesseltiere wie Seeanemonen, Korallen oder Quallen Muskeln? Wer einmal eine Seeanemone in den Händen gehalten hat, weiß, dass sich diese Tiere zusammenziehen können - also zumindest eine muskelähnliche Struktur aufweisen. Im FWF-Projekt "Muskelentwicklung in Cnidaria" untersucht der Evolutionsbiologe Ulrich Technau, wann sich Muskeln in der tierischen Evolution entwickelt haben und woraus sie aufgebaut wurden. Nesseltiere eignen sich dafür besonders gut: Sie sind vor 600 Millionen Jahren entstanden und äußerst interessant für die Evolutionsforschung.

Nesseltiere (Cnidaria) waren die ersten Lebewesen in der Geschichte der Evolution, die Muskeln entwickelt haben. Aber sie besitzen kein "Mesoderm" - das Keimblatt, aus dem normalerweise die Muskulatur hervorgeht. Deshalb stellt sich für den Evolutionsbiologen Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Ulrich Technau die Frage, ob die Muskeln der Nesseltiere überhaupt etwas mit menschlichen Muskeln gemeinsam haben: "Wenn das Mesoderm nicht vorhanden ist, wer sagt dann den Zellen, dass sie Muskeln ausbilden sollen?" Um diese Frage zu beantworten, haben Technau und sein zweiköpfiges Team - Dipl.-Biol. Johanna Kraus und Dipl.-Biol. Dr. Patrick Steinmetz - im Rahmen des FWF- Projekts "Muskelentwicklung in Cnidaria" zunächst den genetischen Bauplan der Tiere untersucht.

Kommunikation der Gene

"Dabei hat sich gezeigt, dass die verschiedenen Tiere im Wesentlichen dieselben genetischen Grundlagen besitzen. Daher stellte sich für uns natürlich die Frage, warum die Nesseltiere kein Mesoderm haben, wo sie doch dieselben Gene wie andere Lebewesen aufweisen", so der Projektleiter: "Wir haben festgestellt, dass es nicht an den Genen liegt, ob ein Mesoderm ausgebildet wird oder nicht, sondern daran, wie die Gene untereinander kommunizieren und interagieren".

Selektion und Drift

Mit der Entwicklung des Mesoderms und somit der Muskulatur ist etwas völlig Neues entstanden: die aktive Fortbewegung der Tiere. "Die genetische Variation einer Population erlaubt das Hervorbringen von neuen Körpermerkmalen. Hierfür ist einerseits die Selektion ausschlaggebend, andererseits spielt aber auch die 'Drift' eine wichtige Rolle. Dabei kommt es zu graduellen Veränderungen im Genom und somit in den Proteinen. Gewisse Eigenschaften verändern sich, die auf den ersten Blick gar keinen Selektionsvorteil oder -nachteil aufweisen. Letztendlich müssen sich aber die Veränderungen in der Auseinandersetzung mit der Umwelt bewähren", erklärt Ulrich Technau.

Pionierarbeit

In Zusammenarbeit mit einem französischen ForscherInnenteam untersuchen Technau und sein Team zum ersten Mal auf molekularer Ebene ein wichtiges Organsystem wie die Muskulatur bei Nesseltieren: "Wie sehen die für die Muskelbildung verantwortlichen Proteine aus und wie unterscheiden sie sich von denen des Menschen? Hier können wir vielleicht Zusammenhänge entdecken, die auch für die Medizin von großem Interesse sind", so der Evolutionsforscher.

Wenn Seeanemonen leuchten ...

Kürzlich ist es den WissenschafterInnen dabei gelungen, transgene Seeanemonen zu generieren, die ihnen bei der Beantwortung ihrer Fragen von großem Nutzen sein werden. Nachdem sie in Kollaboration mit amerikanischen Gruppen das Genom der Seeanemone sequenziert haben, konnten sie Gene isolieren, die spezifisch in der Muskulatur aktiviert werden. "Durch die Kombination dieser Genregion mit einem fluoreszenten Protein können wir nun - ohne dem Tier zu schaden - beobachten, wie die Muskelzellen in der Seeanemone  rot oder grün leuchten. In anderen transgenen Linien können wir die Nervenzellen sichtbar machen", erklärt Technau die Forschungsmethode: "Für diesen Zweck halten wir verschiedene Linien nebeneinander - wir haben hier am Department für molekulare Evolution und Entwicklung das weltweit größte Aquariensystem dieser Art: über 500 Boxen mit jeweils rund 200 Tieren."

... und ihre Muskeln spielen lassen

Das spannende an dieser Methode ist, dass die ForscherInnen auf diese Weise die Funktionalität der Muskeln am lebenden Tier beobachten können. Da die Seeanemone eine hohe Regenerationsfähigkeit aufweist, eignet sie sich besonders gut dafür: "Wenn wir eine Seeanemone in Scheiben schneiden, entwickelt sie sich wieder zu einem normalen Organismus und wir können untersuchen, wie sich die Muskulatur in der Regenerationsphase verhält", so Technau.

Die Beobachtung der Differenzierungs- und Umbauprozesse bei diesen Lebewesen könnte auch für die Biomedizin relevante Ergebnisse liefern: "In erster Linie wollen wir zwar verstehen, wie die Muskulatur in der Evolution entstanden ist und wie der ursprüngliche Zelltyp aussah, aber wenn man der eigenen Neugier seinen Lauf lässt, kommen manchmal Entdeckungen zu Tage, die auch für andere von Interesse sind", resümiert der Evolutionsforscher. (ps)

Das FWF- Projekt "Muskelentwicklung in Cnidaria" läuft von Oktober 2008 bis Oktober 2011. Der Projektleiter Univ.-Prof. Dipl.-Biol. Dr. Ulrich Technau arbeitet gemeinsam mit den ProjektmitarbeiterInnen Dipl.-Biol. Johanna Kraus und Dipl.-Biol. Dr. Patrick Steinmetz an dem Projekt.