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Vom Wurmmuskel zur Bandscheibe - Eine evolutionsgeschichtliche Überraschung

12.09.2014

Wer gerade unter einem Bandscheibenvorfall leidet, dessen Gedanken kreisen wohl nicht unbedingt um den Familienstammbaum, dabei öffnen uns die Bandscheiben ein Fenster in unsere entwicklungsgeschichtliche Vergangenheit. Sie sind die Überbleibsel des ersten Wirbeltierskeletts, dessen Ursprünge wohl länger zurückreichen als bisher angenommen.

Wissenschaftler am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg machten die überraschende Entdeckung, dass dieses Skelett sich höchstwahrscheinlich aus einem Muskel heraus entwickelte. Die Ergebnisse der Studie, die in Zusammenarbeit mit dem Howard Hughes Medical Institute in Janelia Farm, USA, durchgeführt wurde, werden heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.


The marine worm Platynereis has a muscle (red) which develops in the same place and has the same genetic signature as the notochord (blue) that develops into our spinal discs. Credit: Kalliopi Monoyios

Der Mensch gehört zur Gruppe der Chordatiere, deren Hauptmerkmal ein aus Knorpel bestehender Stab ist, der längs der Mitte des Körpers unter dem Rückenmark entlang verläuft. Diese sogenannte Chorda entspricht dem ersten Wirbeltierskelett.

Im menschlichen Embryo ist sie noch vorhanden, im Laufe der Entwicklung wird sie durch das Rückgrat ersetzt, wobei der Knorpel auf diese so verhängnisvollen Scheiben reduziert wird. Da Seesterne, Seeigel und verwandte Arten keine solche Struktur besitzen, nahmen Wissenschaftler an, dass die Chorda erst bei unseren jüngeren Vorfahren auftrat, nachdem unser Zweig des phylogenetischen Baums sich vom „Seesternzweig“ abgespalten hatte.

“Bisher hat sich die Wissenschaft lediglich um unsere direkten Verwandten gekümmert. Dadurch wurden wir jedoch möglicherweise in die Irre geführt, falls die Struktur doch schon früher auftrat und lediglich eine einzelne Gruppe sie verloren hat” so Detlev Arendt vom EMBL, der Leiter der Studie. “Und tatsächlich, als wir eine größere Bandbreite von Tieren untersuchten, stellten wir genau das fest.”

Antonella Lauri und Thibaut Brunet, beide Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Detlev Arendt, untersuchten die genetische Signatur der Chorda, d.h. die Kombination von Genen, die zur Ausbildung einer gesunden Chorda angeschaltet sein müssen. Als sie feststellten, dass die Larve des  marinen Ringwurms Platynereis eine Gruppe von Zellen mit derselben genetischen Signatur besitzt, taten sie sich mit der Forschungsgruppe um Philipp Keller am Janelia Farm Campus zusammen, um mithilfe modernster Mikroskopie diese Zellen während der Entwicklung der Larve zu verfolgen.

Sie fanden heraus, dass die Zellen einen Muskel bilden, der entlang der Mittellinie des Tieres verläuft, genau dort, wo sich bei einem Chordatier die Chorda befinden würde. Die Wissenschaftler gaben diesem Muskel aufgrund seiner Position entlang der Achse des Tieres den Namen Axochord. Eine Kombination aus experimenteller Arbeit und dem Durchforsten wissenschaftlicher Literatur zu diesem Thema ergab, dass die meisten Tiergruppen zwischen Platynereis und Chordatieren im phylogenetischen Baum ebenfalls eine ähnliche, muskelbasierte Struktur in derselben Position aufweisen.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass solch eine Struktur zum ersten Mal bereits bei einem unserer sehr frühen Vorfahren auftrat, noch bevor sich die verschiedenen Tiergruppen in ihre jeweiligen Evolutionspfade aufspalteten. Solch ein Szenario würde auch erklären, warum das Lanzettfischchen, ein  ‘primitives’ Chordatier, eine Chorda mit Knorpel und Muskel besitzt. Der Muskel könnte sich völlig unabhängig entwickelt haben, wahrscheinlicher ist jedoch, dass es sich hierbei um einen lebenden Beweis für den Übergang von der auf einem Muskel basierenden Mittellinie hin zu einer Chorda aus Knorpel handelt.

Diese Entwicklung vom Muskel hin zum Knorpel vollzog sich wahrscheinlich deshalb, weil ein fester und versteifter Mittelstab nach Meinung der Wissenschaftler das Schwimmen effizienter machte.

Veröffentlicht in Science am 12. September 2014. DOI: 10.1126/science.1253396.
Bildmaterial, Video und weitere Informationen: www.embl.org/press/2014/140622_Heidelberg
 
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