Neue Einblicke in den genetischen Ursprung unserer Sinne

Forscher haben die Funktion eines Gens entschlüsselt, das für die Bildung neuronaler Strukturen im Kopf von Wirbeltieren und deren Wahrnehmung der Umwelt essentiell ist. Eine Gruppe internationaler Forscherinnen und Forscher unter Leitung der University of Oxford, darunter das Team von Ute Rothbächer vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck, veröffentlichte ihre Ergebnisse in Natur.

Einen Kopf zu haben ist ein ziemlicher Vorteil. Was banal klingen mag, musste die Evolution in einem langen Prozess auf den Prüfstand stellen: Als sich die Tierwelt entwickelte, waren es zunächst Wirbellose, die die Ozeane beherrschten. Diese besaßen bereits Kopfstrukturen, aber erst die Entwicklung eines neuartigen, verbesserten Kopfes führte zum Erfolg der Wirbeltiere. Dieser „neue Kopf“ ermöglichte eine weite räumliche Verteilung und Vermehrung von Sinneszellen und damit eine wesentlich bessere Wahrnehmung der Umwelt. Dies war auch wesentlich für die Entwicklung eines räuberischen Lebensstils.

Wenn externe Reize an das Gehirn von Wirbeltieren weitergeleitet werden, spielen kraniale sensorische Ganglien eine wichtige Rolle. Diese kann man sich als über den Kopf verteilte Nervenknoten vorstellen, die Informationen von den Sinnesorganen erhalten. Bislang wussten die Wissenschaftler nicht, wie genau diese Ganglien entstanden sind. Eine in „Nature“ erschienene Studie fand nun Antworten.

Prototyp der Wirbeltiere

Die Forschungsgruppe von Ute Rothbächer vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck war maßgeblich an der letzten Phase des Projekts beteiligt, einer internationalen Zusammenarbeit mehrerer Institutionen, die von der University of Oxford konzipiert wurde. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die kranialen sensorischen Ganglien von Wirbeltieren aus einem genetischen Programm hervorgehen, das auch bei ihren nächsten lebenden Verwandten, den Manteltieren, zu finden ist. In Manteltierlarven befinden sich bestimmte sensorische Neuronen, Bipolare Schwanzneuronen genannt, in der Schwanzregion. Diese verarbeiten äußere Reize, sind aber auch für die Bewegung des Tieres verantwortlich. In beiden tierischen Unterstämmen werden die jeweiligen Strukturen durch das Gen Hmx gebildet.

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„Manteltiere sind wie ein evolutionärer Prototyp für Wirbeltiere“, erklärt Rothbächer. „Zwischen den Adulten dieser Unterstämme besteht eine große anatomische Lücke, da sie an ökologische Nischen angepasst sind. Das erschwert die Erforschung ihrer Evolution. Gemeinsame Strukturen und Mechanismen lassen sich erst im Embryonalstadium identifizieren – unser gemeinsamer Vorfahre war ihnen vermutlich sehr ähnlich eine Manteltierlarve.”

Die Modellorganismen der Studie waren das Neunauge, ein primitiver Fisch, der einem Aal ähnelt und oft als „lebendes Fossil“ bezeichnet wird, und der Manteltier Ciona intestinalis, der von einem gelblichen, röhrenförmigen Mantel umgeben ist, der das Tier schützt und Nahrung filtert.

Das konservierte Gen

Alessandro Pennati, Doktorand in Rothbächers Forschungsgruppe, lieferte entscheidende Daten zur Funktion des Gens Hmx in Ciona. Er wandte die Gentechnologie CRISPR-Cas9 an, um genetische Sequenzen selektiv auszuschalten, während die Methode der transienten Transgenese zur Überexpression von Genen verwendet wurde.

Die Forscher fanden heraus, dass Hmx die Entwicklung von bipolaren Schwanzneuronen in Manteltieren steuert, während es dies bei Wirbeltieren für kraniale sensorische Ganglien tut. Überraschenderweise waren Neunauge-Hmx-Gensegmente, die in die Ciona-DNA eingefügt wurden, ähnlich aktiv wie Cionas eigenes Hmx.

„Hmx hat sich als zentrales Gen erwiesen, das über die Evolution hinweg konserviert wurde. Es hat seine ursprüngliche Funktion und Struktur beibehalten und wurde in dieser Form wahrscheinlich beim gemeinsamen Vorfahren von Wirbeltieren und Manteltieren gefunden“, erklärt Pennati. Cranial Sensory Ganglia und Bipolar Tail Neurons haben also den gleichen evolutionären Ursprung, Hmx war vermutlich maßgeblich an der Bildung hochspezialisierter Kopf-Sinnesorgane in Wirbeltieren beteiligt.

Referenz: Papadogiannis V, Pennati A, Parker HJ, et al. Die Hmx-Genkonservierung identifiziert den Ursprung der Schädelganglien von Wirbeltieren. Natur. 2022. doi: 10.1038 / s41586-022-04742-w

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