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ForscherInnen der Universität Heidelberg und Max F. Perutz Laboratories erforschen, wie unsere Körperachsen entstanden

Der Süßwasserpolyp Hydra, der zu den mehr als 600 Millionen Jahre alten Nesseltieren gehört, ist berühmt für seine nahezu unbegrenzte Regenerationsfähigkeit und ist daher ein Modell der molekularen Stammzell- und Regenerationsforschung. Hydra könnte auch dabei helfen, die Evolution unserer Körperachsen zu verstehen, wie ForscherInnen am Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg in Kollaboration mit einem Kollegen der Max F. Perutz Laboratories (MFPL) der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien nun zeigen. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal „Nature“ publiziert.


Die Heidelberger ForscherInnen um Thomas Holstein mit seinem Kollegen Suat Özbek haben den Vermehrungsprozess von Hydra molekular untersucht, und wurden bei der Datenanalyse von Heiko Schmidt vom Center for Integrative Bioinformatics Vienna der MFPL unterstützt.

Bei der asexuellen Vermehrung von Hydra entstehen seitlich am Muttertier neue Tochterpolypen. Die ForscherInnen fanden nun heraus, dass dieser Prozess durch einen Signalweg gesteuert wird, der bei höheren Tieren wie auch dem Menschen essentiell für die Einleitung der Links-Rechts-Asymmetrie der Organe ist. "Es ist erstaunlich, dass Komponenten dieses Signalwegs schon in gemeinsamen Vorfahren der Nessel- und Wirbeltiere vor 600 Millionen Jahren vorhanden gewesen sein müssen. Dies unterstützt unsere früheren Beobachtungen, dass die molekulare Komplexität dieser vorzeitlichen Tiere viel größer war als ihre morphologische Komplexität", sagt Heiko Schmidt.


Drei Körperachsen

Eine der zentralen Fragen der Biologie ist: Was macht den Grundtypus des tierischen Bauplans aus und wie haben sich daraus alle komplexeren Formen entwickelt, einschließlich der des Menschen? Im einfachsten Fall lässt sich dieser Körperbauplan durch die drei Körperachsen beschreiben – sie entsprechen den aus der Geometrie bekannten X-, Y- und Z-Achsen. Hierbei handelt es sich um die Anterior-Posterior-Achse (AP), welche die Position eines vorderen Mundes und hinteren Afters bestimmt, die Dorsal-Ventral-Achse (DV), mit dem bei Wirbeltieren oben gelegenen Rücken und unteren Bauch, sowie um die Links-Rechts-Achse (LR) mit der spiegelbildlich symmetrischen Anlage unserer Extremitäten und der Links-Rechts-Asymmetrie der Organe.


Symmetriebruch

Diese drei Körperachsen werden früh in der Embryonalentwicklung festgelegt. Wenn aus einer befruchteten und dann sich fortlaufend teilenden Eizelle zunächst ein kugelförmiges Gebilde undifferenzierter Zellen entsteht, wird beim frühen Embryo zuerst jene Position bestimmt, an der die erste Körperöffnung entsteht, welche zugleich die AP-Achse definiert. „Dieser Prozess lässt sich geometrisch als Symmetriebruch beschreiben, und ihm folgen weitere Symmetriebrüche, die zur Festlegung der zwei anderen Achsen führen, der DV- und LR-Achse“, erläutert Thomas Holstein.


Die genetische Basis für jede dieser Körperachsen wurde in der Embryonalentwicklung des Menschen, anderer Wirbeltiere, aber auch von Insekten und Würmern bereits identifiziert. Es sind evolutiv hoch konservierte molekulare Signalsysteme, die als „molekulare Vektoren“ jeweils eine Körperachse definieren und die Entstehung verschiedener Zelltypen steuern. Viele dieser sogenannten Entwicklungsgene spielen nicht zuletzt auch bei der Krebsentstehung eine große Rolle.


Bei ihren molekularen Analysen haben die ForscherInnen nun den sogenannten Nodal-Signalweg in dem evolutionär ursprünglichen System des Süßwasserpolypen identifiziert, das nur eine klar definierte Körperachse mit einer Körperöffnung aufweist. "Bisher war dieser Signalweg nur aus bilateral symmetrischen Tieren [Anm. d. Red.: wie etwa Würmern oder Wirbeltieren] bekannt, wo er an der Etablierung eines Signalzentrums der frühen Embryonalentwicklung und der Links-Rechts-Asymmetrie beteiligt ist”, erklärt Erstautor Hiroshi Watanabe aus der Gruppe von Thomas Holstein.

Startpunkt in der Evolution für die Links-Rechts-Achsenbildung
Die WissenschafterInnen zeigen, dass auch in Hydra ein Nodal-artiges Gen zusammen mit Ziel-Genen des aktivierten Nodal-Signalwegs an der asymmetrischen Anlage der Knospen beteiligt ist. Somit zeigen sie zum ersten Mal die Existenz und Beteiligung des Nodal-Signalwegs bei der Achseninduktion in einem "radiär" symmetrischen Organismus.
„Dies könnte ein Startpunkt in der Evolution für die Links-Rechts-Achsenbildung in den bilateral symmetrischen Tieren gewesen sein. Wie sich daraus evolutionär der komplexe Bauplan der Bilateria entwickelt hat, eröffnet weitere spannende Forschungsfragen“, erklärt Holstein. Schon jetzt ist jedoch klar, dass die molekularen Kernprozesse in der Embryonalentwicklung zwischen den einfachen Nesseltieren und den Wirbeltieren einschließlich des Menschen sehr ähnlich sind.

Service: Nature
Hiroshi Watanabe, Heiko A. Schmidt, Anne Kuhn, Stefanie K. Höger, Yigit Kocagöz, Nico Laumann-Lipp, Suat Özbek & Thomas W. Holstein: „Nodal signalling determines biradial asymmetry in Hydra“. Nature online (24 August 2014), doi:10.1038/nature13666


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