Aktuell in Cell Reports: Das Verlangen nach Asymmetrie ist fast so alt wie das Leben selbst

Asymmetrischer Glücksfall: Der Bruch des Lebens mit der Spiegelachse hat den Menschen und höheres Leben überhaupt erst möglich gemacht. Doch auch höheres Leben beginnt mit einer kugelrund-symmetrischen Zelle. Jetzt zeigen Zoologen der Universität Hohenheim anhand von Wirbeltieren, dass die Evolution dieses Erfolgskonzept nur ein einziges Mal hervorbrachte. Eine Beobachtung, die sich vermutlich auf das ganze Tierreich übertragen lässt. Erst im Detail hat es sich auf verschiedenen Wegen weiter entwickelt. Damit widersprechen sie der bisher gängigen Lehrmeinung. Details in der aktuellen Ausgabe der Online-Fachzeitschrift Cell Reports: www.cell.com/cell-reports/newarticles

„Die Körper-Asymmetrie ist ein Erfolgsmodell der Evolution – und ein Riesenglück für uns Menschen“, sagt Prof. Dr. Martin Blum. Der Embryologe der Universität Hohenheim ist Leiter des Fachgebiets Zoologie und federführender Autor der neuen Studie. Die Asymmetrie sorge dafür, dass das Herz zwei unterschiedlich große Kammern für zwei getrennte Blutkreisläufe hat. Im Gehirn übernehmen beide Hälften unterschiedliche Aufgaben. „Ohne Asymmetrie hätten wir in der linken Hirnhälfte kein Sprachzentrum – und wären damit keine Menschen.“

Ein zentraler Verursacher der Asymmetrie ist schon in der ersten, noch perfekt symmetrischen Zelle eines Lebewesens enthalten: die Ionen-Pumpe ATP4. „Sie sitzt in der Außenhaut der Zelle und regelt den Stoffaustausch mit benachbarten Zellen“, erklärt der Zoologe. Die Pumpe schaffe Ionen von der einen Seite der Zellmembran auf die andere. So sorge sie dafür, dass sich sog. Protonen auf einer Seite ansammeln, die dadurch sauer wird.

Die Ansäuerung aktiviert ein Signal, das dafür sorgt, dass an bestimmten Zellen kleine Geißelhärchen auswachsen und sich in einer Richtung ausrichten. Diese „Cilien“ – so der Fachausdruck – wirken wie kleine Propeller: Sie erzeugen einen Flüssigkeitsstrom von rechts nach links und lösen so eine ganze Ereignis-Kaskade aus. Ergebnis ist, dass am Ende der Embryonalentwicklung jedes Organ am rechten Fleck sitzt.

„Evolution hat das Rad nur einmal erfunden“

„Weil die Ionen-Pumpe ATP4 auch den Magen sauer hält, lässt sie sich mit medizinischen Wirkstoffen gegen Übersäuerung ganz leicht außer Kraft setzen“, erklärt Prof. Dr. Blum. Genau das haben die Zoologen von der Universität Hohenheim mit Frosch-Embryonen im Labor getan. Und siehe da: Das Cilium entwickelte sich nicht richtig und wanderte nicht ans hintere Ende der Zelle. Der Flüssigkeitsstrom war gestört und die Organe ordneten sich an den falschen Stellen an.

„Alle bisher untersuchten Tiere brauchen die Ionen-Pumpe ATP4 für die Entstehung von Asymmetrie“, sagt Prof. Dr. Blum. Das spreche ganz klar dafür, dass die Evolution bei der Körper-Asymmetrie das Rad nicht wieder und wieder, sondern nur ein einziges Mal erfunden habe.

Hintergrund: Ereigniskaskade im Embryo

Der Schritt vom symmetrischen Zellhaufen zum asymetrischen Embryo ist eine vielphasige, hochkomplexe Ereigniskaskade. Bei Wirbeltieren vollzieht sich in wenigen Stunden, wie die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Blum in mehreren Veröffentlichungen nachvollzog. Schon wenige Stunden nach der Befruchtung lassen die Botenstoffe Serotonin und WNT winzige Geißelhärchen auf speziellen Zellen wachsen, die sich propellerartig drehen (Beyer:2012). Die neue Arbeit zeigt jetzt, dass dazu Ansäuerung über ATP4 notwendig ist. Die koordinierte Bewegung löst einen Flüssigkeitsstrom an der Zelloberfläche aus, der sich zielstrebig von rechts nach links bewegt (Schweickert:2007). Der Reiz hebt einen genetischen Repressor in den Zellen der linken Körperhälfte auf (Schweickert:2010). Damit wird eine Gruppe von drei Genen aktiv, die daraufhin als erstes Organ das Herz asymmetrisch links anlegen. In der rechten Körperhälfte bleiben die gleichen Gene inaktiv. Details der Ereigniskaskade können jedoch variieren. Bei Schwein und Huhn scheint die Asymmetrie durch Zellwanderung ausgelöst (Gros:2009). Diese asymmetrische Zellbewegung braucht ATP4. Obwohl Cilien bisher in Vogelembryonen nicht nachgewiesen wurden, spricht die neue Arbeit aus dem Blum-Labor dafür, dass auch hier ATP4-abhängige Prozesse, vermutlich Cilien-abhängig, die Symmetrie via Zellwanderung brechen. Damit scheint Anfang und Ende des Prozesses evolutionär konserviert zu sein: Sie alle nutzen die Ionenpumpe ATP4 und bei allen sind es die gleichen Gene, die in der Folge asymetrisch aktiviert werden.

Beyer, T., Danilchik, M., Thumberger, T., Vick, P., Tisler, M., Schneider, I., Bogusch, S., Andre, P., Ulmer, B., Walentek, P., et al. (2012). Serotonin Signaling Is Required for Wnt-Dependent GRP Specification and Leftward Flow in Xenopus. Curr. Biol. 22, 33–39.

Gros, J., Feistel, K., Viebahn, C., Blum, M., and Tabin, C.J. (2009). Cell movements at Hensen's node establish left/right asymmetric gene expression in the chick. Science 324, 941–944.

Schweickert, A., Vick, P., Getwan, M., Weber, T., Schneider, I., Eberhardt, M., Beyer, T., Pachur, A., and Blum, M. (2010). The nodal inhibitor Coco is a critical target of leftward flow in Xenopus. Curr. Biol. 20, 738–743.

Schweickert, A., Weber, T., Beyer, T., Vick, P., Bogusch, S., Feistel, K., and Blum, M. (2007). Cilia-driven leftward flow determines laterality in Xenopus.