Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Embryonalentwicklung in neuem Licht

09.12.2010
Ähnlichkeiten in der Embryonalentwicklung verschiedener Tierarten finden sich auch auf molekularer Ebene

Schon Naturforscher des 19. Jahrhunderts wie Karl von Baer, Charles Darwin und Ernst Haeckel hatten festgestellt, dass sich die Embryonen verschiedener Tierarten äußerlich erstaunlich ähneln. Dies führte zu der Hypothese, dass die individuelle Entwicklung eines Organismus die Stammesgeschichte widerspiegelt. Zwei Gruppen von Wissenschaftlern, darunter Forscher am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Dresden und am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön, haben nun Parallelen zwischen individueller Entwicklung und Stammesgeschichte erstmals auf Ebene der Genexpression gezeigt. (Nature, 9. Dezember 2010)


Ernst Haeckels berühmte vergleichende Analyse der Wirbeltier-Entwicklung, gestaltet aus Bildern von Drosophila-Embryonen, die die Genexpression im Verlauf der Embryonalentwicklung wiedergeben. Das Mosaik umfasst rund 4000 Teile, entnommen einer Datenbank von insgesamt 38.000 Bildern. Bild: Pavel Tomancak / MPI für Molekulare Zellbiologie und Genetik

Ob im Stamm der Fliegen oder der Fische - in einer bestimmten Phase der Entwicklung sind die Embryonen verschiedener Tierarten innerhalb eines Stamms äußerlich kaum unterscheidbar. Dabei findet sich die größte Ähnlichkeit während der "phylotypischen Periode" in der Mitte der Embryonalentwicklung; vorher und nachher dominieren die artspezifischen Unterschiede. Das Modell der Sanduhr veranschaulicht diesen Befund. Seit langem rätseln Forscher, wie es zu der großen Gestaltähnlichkeit - der "Wespentaille" der Sanduhr - kommt. Unklar war auch, inwieweit tatsächlich ein Zusammenhang zwischen der individuellen Entwicklung eines Lebewesens (Ontogenie) und der Stammesgeschichte (Phylogenie) besteht.

Nun haben Wissenschaftler an so unterschiedlichen Organismen wie Fruchtfliege und Zebrafisch erstmals gezeigt, dass sich das Motiv der Sanduhr nicht nur auf morphologischer, sondern auch auf molekularer Ebene wiederfindet - ein Hinweis auf Parallelen zwischen Ontogenie und Phylogenie. Die Gruppe um Pavel Tomancak, Forscher am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden fand, in einer Studie an sechs Fruchtfliegenarten (Drosophila sp.) heraus, dass während der phylotypischen Periode nicht nur Ähnlichkeiten in der Gestalt, sondern auch im Expressionsmuster der Gene am größten sind; vor und nach dieser Phase sind die Unterschiede zwischen den Arten größer. Dabei zeichnet das Expressionsmuster von Schlüsselgenen der Entwicklung das Bild der Sanduhr am besten nach. Tomislav Domazet-Lošo und Diethard Tautz, Forscher am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön, wiesen an Zebrafischen (Danio rerio) nach, dass während der phylotypischen Phase die stammesgeschichtlich ältesten Gene aktiv sind, vorher und nachher sind vor allem Gene angeschaltet, die entwicklungsgeschichtlich erst später entstanden sind. Und noch eine erstaunliche Beobachtung machten die Plöner Evolutionsbiologen: An ausgewachsenen Zebrafischen beobachteten sie, dass mit zunehmendem Alter der Tiere auch immer ältere Gene aktiviert sind. Vergleichende Analysen mit Drosophila, Mücken der Gattung Anopheles sowie mit Fadenwürmern kamen zum selben Ergebnis.

Beide Studien werfen neues Licht auf ein klassisches Problem der Biologie, den Zusammenhang zwischen Ontogenie und Phylogenie. "Unsere Entdeckung bestätigt frühere anatomische Studien und erweitert unser Verständnis, wie Entwicklung und Evolution auf molekularer Ebene zusammenhängen", erklärt Alex T. Kalinka, Forscher in der Dresdener Gruppe. "Die Ergebnisse zeigen, dass die Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Tierarten in der Mitte der Embryonalentwicklung durch Selektion geformt wird", fügt Casey Bergmann, Co-Autor der Studie von der Universität in Manchester hinzu. Der Befund erklärt, wie es zur "Wespentaille" der Sanduhr kommt.

Fruchtfliegen gehören zu den am besten erforschten Modellorganismen und bieten einzigartige Möglichkeiten, die der Entwicklung zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu untersuchen. Das Sanduhrmuster bei unterschiedlichen Arten zu finden bietet Evolutionsbiologen die Möglichkeit, eine Zeitreise zu den Anfängen zu machen, als sich die Vielfalt der Organismen herausgebildet hat. "Wir hoffen, Einblick in die Prozesse zu bekommen, die zu der Vielfalt an Formen im Tierreich geführt hat", erklärt Pavel Tomancak das Ziel seiner Arbeit.

Die Forscher aus Plön hatten für ihre Studie an Zebrafischen, ebenfalls ein Modellorganismus der Evolutionsbiologie, eigens eine neue Methode - den transcriptome age index (TAI) - entwickelt. Er erlaubt es, das stammesgeschichtliche Alter aktiver Gene zu messen. Mit diesem neuen Werkzeug machten sich Domazet-Lošo und Tautz daran, die Zebrafisch-Entwicklung von der befruchteten Eizelle bis zum erwachsenen Tier zu verfolgen. "Das TAI-Profil gibt zuverlässig das Sanduhrmodell wider und zeigt somit, dass es Parallelen zwischen Ontogenie und Phylogenie gibt", erklärt Diethard Tautz die Bedeutung der Studie. Die Beobachtung, dass bei älteren Zebrafischen auch die stammesgeschichtlich ältesten Gene aktiv sind erklären die Wissenschaftler damit, dass Tiere, die das fortpflanzungsfähige Alter überschritten haben, von der Selektion "übersehen" werden.

Die Studien zeigen, dass Naturforscher wie Karl von Baer, Charles Darwin und Ernst Haeckel prinzipiell richtig lagen mit ihrer Hypothese, dass die Embryonalentwicklung ein Spiegel der Stammesgeschichte ist. " Es wird sehr spannend sein, unseren Ansatz auf andere Tierarten mit unterschiedlichen Bauplänen und Lebenszyklusstrategien auszudehnen", sagt Domazet-Lošo.

Originalveröffentlichung:

Alex T. Kalinka*, Karolina M. Varga*, Dave T. Gerrard, Stephan Preibisch, David L. Corcoran, Julia Jarrells, Uwe Ohler, Casey M. Bergman & Pavel Tomancak * these authors contributed equally
Gene expression divergence recapitulates the developmental hourglass model
Nature, December 9, 2010, DOI: 10.1038/nature09634
Tomislav Domazet-Lošo and Diethard Tautz
A phylogenetically based transcriptome age index mirrors ontogenetic divergence patterns

Nature, December 9, 2010, DOI: 10.1038/nature09632

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Pavel Tomancak
Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Tel.: +49 351 210 2670
E-Mail: tomancak@mpi-cbg.de
Tomislav Domazet-Lošo
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
E-Mail: tdomazet@evolbio.mpg.de
Diethard Tautz
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Tel.: +49 4522 763 390
E-Mail: tautz@evolbio.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http:// www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie