Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einfach komplex – Die Entstehung unserer Körperachsen

25.08.2014

Evolutionäre Verbindungen zwischen Menschen und vorzeitlichen Tieren – Studie in „Nature“ veröffentlicht

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 in der Zeitschrift „Nature“ 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 Center for Integrative Bioinformatics Vienna (CIBIV) der Max F. Perutz Laboratories (MFPL). 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.

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.

Bei ihren molekularen Analysen von Stammzellen und Wnt-Proteinen beim Süßwasserpolypen Hydra, der nur eine einzelne klar definierte Körperachse mit einer Körperöffnung besitzt, haben die Forscher nun den sogenannten Nodal-Signalweg in diesem evolutionär ursprünglichen System identifiziert. „Bisher war dieser Signalweg nur aus bilateral symmetrischen Tieren bekannt, wo er an der Etablierung eines Signalzentrums der frühen Embryonalentwicklung und der Links-Rechts-Asymmetrie beteiligt ist. Mit verschiedenen pharmakologischen und genetischen Experimenten konnte unsere Gruppe nun zeigen, dass auch in Hydra ein Nodal-artiges Gen zusammen mit zentralen Ziel-Genen des aktivierten Nodal-Signalwegs an der asymmetrischen Anlage der Knospen von Hydra beteiligt ist“, erklärt Dr. Hiroshi Watanabe aus der Gruppe von Prof. Holstein.

Die Knospen lösen sich bei Hydra vom Muttertier, bei den ebenfalls zu den Nesseltieren gehörenden Korallen bleiben sie mit dem Muttertier verbunden und bilden komplex verzweigte Kolonien. Der Nodal-Signalweg wird von Komponenten des „primären“ Signalwegs aktiviert, der für die Anterior-Posterior-Achse verantwortlich ist (Wnt-Signalweg). Der Nodal-Signalweg steuert bei bilateralsymmetrischen Tieren (z.B. Wirbeltieren) die Etablierung der Links-Rechts-Körperachse.

Die Arbeiten der Heidelberger Forscher zeigen zum ersten Mal die Existenz und Beteiligung des Nodal-Signalwegs bei der Achseninduktion in einem „radiär“ symmetrischen Organismus. „Wir gehen davon aus, dass dies ein Startpunkt in der Evolution für die Links-Rechts-Achsenbildung in den bilateral symmetrischen Tieren war. Zu identifizieren, auf welche Weise sich daraus evolutionär der komplexe Bauplan der Bilateria entwickelt hat, eröffnet weitere spannende Forschungsfragen“, erklärt Prof. Holstein. Die Arbeiten zeigen aber schon jetzt, wie ähnlich auf molekularer Ebene die Kernprozesse in der Embryonalentwicklung zwischen den einfachen Nesseltieren und den Wirbeltieren einschließlich des Menschen sind.

Originalveröffentlichung:
Hiroshi Watanabe, Heiko A. Schmidt, Anne Kuhn, Stefanie K. Höger, Yigit Kocagöz, Nico Laumann-Lipp, Suat Özbek & Thomas W. Holstein: „Nodal signalling determines biradial asymmetry in Hydra“. Nature online (24 August 2014), doi:10.1038/nature13666

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Holstein
Centre for Organismal Studies
Telefon (06221) 54-5679
thomas.holstein@cos.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie