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Evolution der Sinne Wer hat den Kopf erfunden? Suche nach dem genetischen Ursprung

Quelle: Pressemitteilung

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Im Kopf sitzen Augen, Nase, Ohren und Mund – er ist die Zentrale unserer Sinne. Doch wie kam es zu dieser Entwicklung? Dem Ursprung der Sinne sind Forscher der Universität Innsbruck nachgegangen und haben sich auf eine genetische Spurensuche in der Evolution begeben.

Ein Embryo des Manteltiers Ciona intestinalis mit „Bipolar Tail Neurons“ (Grün) und Zellen der Epidermis (Magenta).
Ein Embryo des Manteltiers Ciona intestinalis mit „Bipolar Tail Neurons“ (Grün) und Zellen der Epidermis (Magenta).
(Bild: Alessandro Pennati)

Einen Kopf zu haben, ist ziemlich vorteilhaft. Was banal klingt, ist ein Evolutionsprozess, der sich über eine lange Zeit erstreckt hat: Während der Entstehung der Tierwelt in den Ozeanen dominierten zunächst rein wirbellose Lebewesen. Diese besaßen zwar schon Kopfstrukturen, doch es war die Entwicklung eines neuartigen, verbesserten Kopfes, die schließlich den Wirbeltieren den Weg zum Erfolg ebnete. Dieser ‚neue Kopf‘ ermöglichte eine weite räumliche Verteilung und Vervielfältigung von Sinneszellen und damit eine viel bessere Wahrnehmung der Umwelt. Gerade für die Evolution der räuberischen Lebensweise erwies sich das als essenziell.

Wenn äußere Reize an das Gehirn von Wirbeltieren weitergeleitet werden, spielen die so genannten Cranial Sensory Ganglia eine wichtige Rolle. Diese Kopfganglien kann man sich als Nervenknotenpunkte vorstellen, die über den gesamten Kopf verteilt sind und Informationen der Sinnesorgane aufnehmen. Wie genau diese Kopfganglien entstanden sind, war der Wissenschaft bisher nicht bekannt. Eine neue Studie ging dem Rätsel nun auf den Grund.

Prototyp der Wirbeltiere

Die Arbeitsgruppe von Ute Rothbächer am Institut für Zoologie der Universität Innsbruck war in internationaler Zusammenarbeit entscheidend an diesem Forschungsprojekt beteiligt. Sie haben die Funktion eines Gens entschlüsselt, das essenziell für die Bildung von Nervenstrukturen im Kopf von Wirbeltieren und ihrer Wahrnehmung der Umwelt ist. Dieses Gen spielt auch in den wirbellosen Manteltieren eine ähnliche Rolle, weshalb es wahrscheinlich auf den ausgestorbenen gemeinsamen Vorfahren dieser Tierstämme zurückgeht.

Der Befund der Forscher zeigt, dass die Cranial Sensory Ganglia der Wirbeltiere aus einem genetischen Programm hervorgehen, das auch in ihren nächsten noch lebenden Verwandten, den Manteltieren, zu finden ist. Bei Manteltier-Larven sitzen bestimmte sensorische Nervenzellen im Schwanzbereich, die so genannten Bipolar Tail Neurons. Diese verarbeiten äußere Reize, sind aber auch für die Fortbewegung des Tieres verantwortlich. In beiden Tierstämmen werden die jeweiligen Strukturen durch das Gen Hmx gebildet.

„Manteltiere sind gewissermaßen ein evolutionärer Prototyp für Wirbeltiere“, erklärt Rothbächer. „Zwischen den erwachsenen Tieren dieser Stämme herrscht eine große anatomische Kluft, da sie an ökologische Nischen angepasst sind. Das erschwert die Forschung über ihre Evolution. Lediglich im Embryonalstadium lassen sich gemeinsame Strukturen und Mechanismen besser erkennen – unser gemeinsamer Vorfahre war wahrscheinlich einer Manteltier-Larve sehr ähnlich.“

Das ursprüngliche Kopf-Gen existiert noch heute

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

Hmx hat sich als zentrales Gen erwiesen, das über die Evolution hinweg konserviert wurde, also seine ursprüngliche Funktion und Struktur erhalten hat und in dieser Form vermutlich bereits im gemeinsamen Vorfahren von Wirbel- und Manteltieren zu finden war“, erklärt Alessandro Pennati, Doktorand in Rothbächers Arbeitsgruppe. Cranial Sensory Ganglia und Bipolar Tail Neurons haben damit den gleichen evolutionären Ursprung – das Gen Hmx war vermutlich entscheidend an der Ausbildung hochspezialisierter Kopfsinnesorgane der Wirbeltiere beteiligt.

Gentechnologie brachte Details ans Licht

Pennati untersuchte die Funktion des Gens Hmx im Manteltier Ciona. Dazu verwendete er die Gentechnologie CRISPR/Cas9, mit der sich genetische Sequenzen gezielt ausschalten lassen, und die Methode der transienten Transgenese, um Gene übermäßig häufig abzulesen.

Die Forscher stellten fest, dass Hmx in Manteltieren die Entwicklung von Bipolar Tail Neurons steuert, wohingegen es in Wirbeltieren maßgeblich zur Entwicklung von Cranial Sensory Ganglia beiträgt. Erstaunlicherweise waren Hmx-Genabschnitte des Neunauges, die in die DNA von Ciona eingefügt wurden, ähnlich aktiv wie das Ciona-eigene Hmx.

Originalpublikation: Papadogiannis, V., Pennati, A., Parker, H.J. et al.: Hmx gene conservation identifies the origin of vertebrate cranial ganglia. Nature (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04742-w

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