Von der Ameise zum Zebrafisch: Fast alle Tiere auf der Welt - mit Ausnahme basaler Organismen wie Nesseltiere oder Rippenquallen - haben zwei Körperachsen, eine von Kopf bis Körperende oder Schwanz (anterior-posterior) und eine vom Rücken bis zum Bauch (dorsal-ventral). Die Bildung dieser beiden Körperachsen steht am Beginn der Embryonalentwicklung - "quasi damit die Zellen wissen, was aus ihnen werden soll", erklärt Ulrich Technau vom Department für Molekulare Evolution und Entwicklung. Der dahinterliegende molekulare Mechanismus ist bei allen "Bilateriern" (Organismen mit zwei Körperachsen) gleich, auch wenn sie evolutionär weit auseinanderliegen.
Evolution der zweiten Körperachse viel früher als angenommen
Ob Mensch oder Fliege: Bei der embryonalen Herausbildung der Rücken-Bauch-Achse spielen zwei Signalmoleküle eine ganz besonders entscheidende Rolle: BMP4, das beim Menschen die ventrale Seite definiert (Bauch, Blutsystem, etc.), und sein Antagonist Chordin, zuständig für die dorsale Entwicklung (Rücken, zentrales Nervensystem, etc.). "Bei der Fliege ist es zwar umgekehrt - da liegt das zentrale Nervensystem, für das Chordin zuständig ist, im Bauch - aber das molekulare Prinzip ist dasselbe", sagt Technau.
Der gemeinsame Vorfahre aller zweiachsigen Organismen, der "Urbilaterier", lebte vor ungefähr 550 Millionen Jahren. "Der Übergang von einer zu zwei Körperachsen war ein sehr wichtiger evolutionärer Schritt, der zu einer Vielzahl von Körperbauplänen geführt hat", so der Entwicklungsbiologe. Dass dieser Übergang schon sehr viel früher in der Evolutionsgeschichte stattgefunden hat als bisher angenommen - nämlich vor ungefähr 600 Millionen Jahren -, weist die Forschungsgruppe rund um Technau in der aktuellen "PNAS"-Publikation "BMPs and Chordin regulate patterning of the directive axis in a sea anemone" nach.
Von der Seeanemone in den Zebrafisch
Dafür haben die Wissenschafter - zunächst an der Universität Bergen und, nach Technaus Wechsel ans Department für Molekulare Evolution und Entwicklung, nunmehr seit zwei Jahren an der Universität Wien - Seeanemonen aus der Familie der Nesseltiere (Cnidaria) genauer untersucht. Diese scheinbar primitiven Lebewesen sind auf einer früheren Stufe der Evolutionsleiter entstanden und haben, zumindest auf den ersten Blick, nur eine zentrale Körperachse (oral-aboral). Sie galten lange Zeit als sogenannte "radiärsymmetrische" Organismen (Radiata) im Gegensatz zu den "bilateralsymmetrischen" (Bilateria). Letztere besitzen spiegelbildlich gleiche rechte und linke Körperhälften, auch wenn die meisten zusätzlich Links-Rechts-Asymmetrien aufweisen - z. B. hat der Mensch nur ein Herz in der linken und nur eine Leber in der rechten Körperhälfte.
Überraschenderweise - und das konnten Technau und seine Mitarbeiter bereits in einer früheren Publikation nachweisen - besitzen auch Cnidaria die beiden "Rücken-Bauch-Moleküle" BMP4 und Chordin. "Und es sind exakt die gleichen", betont Technau: "Nimmt man sie aus der Seeanemone heraus und bringt sie beispielsweise in einem Zebrafisch-Embryo zur Expression, dann verhalten sie sich dort ganz genauso wie seine eigenen - d. h. sie bilden die Rücken-Bauch-Achse aus."
Knockdown des Signalmoleküls BMP4
Um herauszufinden, warum BMP4 und Chordin in den Seeanemonen keine dorsal-ventrale Achse erzeugen - und wozu es sie dann überhaupt braucht -, haben die Forscher die beiden Signalmoleküle funktionell untersucht. "Zunächst haben wir uns die RNA angeschaut und festgestellt, dass beide Moleküle bei der Embryonalentwicklung anfangs radiärsymmetrisch um den Blastoporus, den sogenannten Urmund, herum aktiviert sind", erklärt Technau: "Aber plötzlich schwappen dann beide auf eine Seite, wodurch eine Asymmetrie entsteht." Blockiert man die Aktivität von BMP4 (Knockdown), bleibt dieser Symmetriebruch aus, und der Embryo kann sich nicht richtig entwickeln.
Gen-Interaktion entscheidend
"Daraus schließen wir, dass es beide Moleküle - beziehungsweise ihre Interaktion - braucht, damit es zur Asymmetrie kommt", so der Forscher: "Weiters konnten wir feststellen, dass es auch in der erwachsenen Seeanemone gewisse Asymmetrien gibt, v.a. was die Anordnung der Muskeln angeht." Cnidaria haben also zwar keine eigentliche Rücken-Bauch-Achse - sie haben auch kein zentrales Nervensystem -, aber bereits die molekularen Anlagen dafür. Dadurch konnten die Wissenschafter u.a. zeigen, dass basale Organismen schon vor 600 Millionen Jahren in der Lage waren, Asymmetrien zu erzeugen - und dass sich unsere zweite Körperachse auf dieser Basis evolviert hat. "Die Grundlage für die spätere morphologische Komplexität von Lebewesen wie dem Menschen ist also bereits auf dieser Ebene vorhanden", so Technau. (br)
Das Paper "BMPs and Chordin regulate patterning of the directive axis in a sea anemone" (Autoren: Michael Saina, Grigory Genikhovich, Eduard Renfer und Ulrich Technau) erschien am 15. Oktober 2009 in der Early Edition (EE) des Fachjournals "Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)".
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