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Evolutionsbiologie Wie entstehen Körperachsen?

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Zwei Arme, zwei Beine – der Bauplan für unsere Extremitäten und damit die Entwicklung unserer Körperachsen liegt schon in frühesten Entwicklungsphasen vor. Ein internationales Forscherteam hat nun erstaunliche Parallelen beim Vermehrungsprozess von Süßwasserpolypen mit der Entstehung der Körperachsen in frühen Wirbeltier-Embryonen festgestellt.

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Die experimentelle Biologie hat der Entdeckung des Süßwasserpolypen Hydra vor über 300 Jahren eine Menge zu verdanken. Hydra wurde das erste Mal 1702 von Antoni van Leeuwenhoek beschrieben. 1744 publizierte dann Abraham Trembley eine Reihe bemerkenswerter Experimente mit Hydra, die ersten, die Regeneration, Gewebe­trans­plan­tation und asexuelle Reproduktion in Tieren zeigten. Das Foto zeigt einen knospenden Polypen der Art Hydra magnipapillata.
Die experimentelle Biologie hat der Entdeckung des Süßwasserpolypen Hydra vor über 300 Jahren eine Menge zu verdanken. Hydra wurde das erste Mal 1702 von Antoni van Leeuwenhoek beschrieben. 1744 publizierte dann Abraham Trembley eine Reihe bemerkenswerter Experimente mit Hydra, die ersten, die Regeneration, Gewebe­trans­plan­tation und asexuelle Reproduktion in Tieren zeigten. Das Foto zeigt einen knospenden Polypen der Art Hydra magnipapillata.
(Bild: Melanie Mikosch/Thomas Holstein, COS Heidelberg)

Heidelberg – Der Süßwasserpolyp Hydra, der zu den mehr als 600 Millionen Jahre alten Nesseltieren gehört, ist berühmt für seine nahezu unbegrenzte Regenerationsfähigkeit und daher ein Modell der molekularen Stammzell- und Regenerationsforschung. Dieser einfache und radiär symmetrisch gebaute Polyp kann auch helfen zu verstehen, wie unsere Körperachsen in der Evolution entstanden sind. Das zeigen For­schun­gen von Wissenschaftlern aus Heidelberg und Wien zur Bildung neuer Polypen in der asexuellen Vermehrung von Hydra, deren Ergebnisse jetzt veröffentlicht wurden. Beteiligt waren an dem Projekt eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Thomas Holstein und Privatdozent Dr. Suat Özbek am Centre for Organismal Studies (COS) der Universität Heidelberg sowie Dr. Heiko Schmidt vom CIBIV (Center for Integrative Bioinformatics Vienna) der Max F. Perutz Laboratories (MFPL) der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien.

Die Heidelberger Forscher haben den Vermehrungsprozess, bei dem seitlich am Muttertier Knospen neuer Tochterpolypen entstehen, molekular aufgeklärt: Sie fanden heraus, dass dabei ein Signalweg eingesetzt wird, der bei höheren Tieren die Links-Rechts-Asymmetrie unserer Organe einleitet. Die Vorgänge, die sich dabei auf molekularer Ebene abspielen, sind frappant ähnlich zu denen bei der Entstehung der Körperachsen in frühen Embryonen von Wirbeltieren.

Körperbau durch drei Achsen beschrieben

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 Raumachsen beschreiben, so wie sie in einem kartesischen Koordinatensystem definiert sind. Bei diesen drei Körperachsen – sie entsprechen den aus der Geometrie bekannten X-, Y- und Z-Achsen – 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.

Diese drei Körperachsen werden früh in der Embryonalentwicklung festgelegt. Wenn aus einer befruchteten und dann sich fortlaufend teilenden Eizelle zunächst ein kugelförmiger „Haufen“ 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 Prof. Holstein vom Center for Organismal Studies (COS). 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.

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