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Embryonalentwicklung in neuem Licht

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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

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)

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 | Quelle: Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen: www.mpg.de

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