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Flexible konservierte Strukturen

Weil die Organe verwandter Arten gleich aussehen, heißt das noch lange nicht, dass sie auch gleich reguliert werden. Tübinger Wissenschaftler zeigten an zwei Arten von Fadenwürmern, dass eine Verschiebung der Entwicklungssysteme auch bei evolutionär konservierten Strukturen möglich ist.

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In welche Richtung geht's?

(23. August 2011) Evolutionär konservierte Strukturen sind nicht starr und unveränderlich – wie früher angenommen wurde. Zumindest auf der Ebene der Regulation sind sie teils flexibel. Ralf Sommer, Evolutionsbiologe am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, verglich die Fadenwürmer Caenorhabditis elegans und Pristionchus pacificus. Bei der Bildung der – bei beiden Arten gleich aussehenden – Vulva, dem Eiablageapparat, gelang es ihm und seiner Mitarbeiterin Xiaoyue Wang große Unterschiede in der Signaltransduktion festzustellen. „Es geht uns vor allen Dingen darum zu sehen, ob die Prozesse und Mechanismen, so wie wir sie in einem Fadenwurm finden für andere genauso gelten,“ sagt der studierte Zoologe Sommer.

 

Bei der Suche nach einem geeigneten Wurm fiel die Wahl der Forscher auf P. pacificus. Auf den ersten Blick sieht er C. elegans – dem altbekannten Haustier der Genetiker – recht ähnlich. Die Unterschiede an der Oberflächenstruktur und der Speiseröhre würden den Laien nicht vermuten lassen, dass die beiden Arten evolutionsbiologisch seit 250 bis 420 Millionen Jahren getrennt sind. Ralf Sommer erforscht seit mehr als 15 Jahren P. pacificus und hat es geschafft ihn neben C. elegans als Modellorganismus zu etablieren.

Sommers AG für evolutionäre Entwicklungsbiologie (Evo-Devo) legte einen Schwerpunkt auf die Bildung der Vulva. Grund für diese Wahl ist deren einfache Struktur. „Sie können die Bildung des gesamten Organs innerhalb eines Nachmittages am Mikroskop verfolgen“ erklärt Ralf Sommer. Die Regulation der Vulvabildung führt die AG als Beispiel für eine Verschiebung der Entwicklungssysteme (developmental systems drift) an. Das bedeutet, dass trotz der morphologischen Ähnlichkeit konservierter Organe, Evolution in der ihnen zugrunde liegenden Regulation stattfindet.

Die Vulva ist das weibliche Sexualorgan der Fadenwürmer, während die somatische Gonade dem männlichen entspricht. Beides zugleich findet man bei den zwittrigen Fadenwürmern in der mittleren Körperregion. Im Zentrum der somatischen Gonade befindet sich die Ankerzelle. Bei C. elegans ist sie allein dafür verantwortlich, das notwendige Signal abzugeben um die Ausbildung der Vulva einzuleiten. Dabei handelt es sich um einen EGF ähnlichen Wachstumsfaktor (epidermal growth factor), der drei Epidermis-Zellen dazu bringt sich in Vulva-Zellen umzuwandeln. Wird die Ankerzelle durch einen Laser zerstört, fehlt dem erwachsenen Fadenwurm der Eiablageapparat. Bei P. pacificus dagegen kommen zusätzliche Signale für die Vulvabildung aus der hinteren Körperregion, dem Schwanz des Fadenwurmes. Statt EGF sind mehrere verschiedene wnt-Signale, die unter anderem essentiell für die Embryonalentwicklung sind, von Bedeutung. Ralf Sommer erinnert sich: „Wir wussten vorher schon, dass das Induktionssignal, das man braucht um die Vulva zu bilden, zwischen diesen beiden Arten nicht identisch ist.“

Sommers Doktorandin Xiaoyue Wang untersuchte die Signaltransduktion bei P. pacificus genauer (PLoS Biol 2011, e1001110, Epub 2011 Jul 26). Dabei interessierten sie besonders die wnt-Signale, die vom Schwanz des Wurmes ausgehen. Einer der untersuchten wnt-Rezeptoren, lin-17/Frizzled, weist bei P. pacificus eine hemmende Wirkung auf: Fehlt der Rezeptor, entstehen statt einer Vulva mehrere. Bei C. elegans dagegen  sorgt lin-17/Frizzled mit einem positiven Signal dafür, dass die Vulva nur an der vorgesehenen Stelle gebildet wird. Der Grund für diese Veränderung ist eine Mutation in einem Stoppcodon, wodurch der Rezeptor um 17 Aminosäuren verlängert wird und eine neue Bindungsstelle erhält, durch die der Signalweg neue Verknüpfungen erhält. „Die beschriebenen Proteine findet man in anderen Fadenwürmern, in Fliegen und Wirbeltieren. Wenn man aber schaut in welcher Form die Komponenten in einem Netzwerk miteinander kommunizieren, dann ist das immer ganz unterschiedlich“, fasst Ralf Sommer zusammen.

Meist sind nur bestimmte funktionelle Domänen in einem Protein konserviert, wie DNA-Bindedomänen. Neue kleine Domänen entstehen durch Mutationen relativ schnell, ohne den, von konservierten Gene vorgegebenen, Rahmen zu sprengen. Inwieweit diese Verschiebung der Entwicklungssysteme letztendlich zur Entwicklung von Lebensformen führt, ist eine Frage die noch offen bleibt.

Ewelina Zankowitsch
Bild: Inhabitant/istock



Letzte Änderungen: 04.03.2013