Genetiker finden mögliche Erklärung für Artenexplosion im Kambrium

Kölner Genetiker haben eine mögliche Erklärung für ein altes Rätsel der Biologie gefunden: die sogenannte Kambrische Explosion. Dabei entstanden vor über 540 Millionen Jahren die sogenannten bilateralsymmetrischen Tiere, deren Körper spiegelbildlich organisiert ist und die die überwiegende Mehrzahl der heute lebenden Tiere bilden.

Bilateralsymmetrische Tiere haben eine linke und eine rechte Seite, ein Oben und Unten, ein Vorne und Hinten. Wirbeltiere und Insekten gehören unter anderem dazu. Bisher gab es keine befriedigende Erklärung für die sprunghafte Entstehung der Bilaterier innerhalb von nur 10 Millionen Jahren. In einer neuen Arbeit bringt der Kölner Genetiker Dr. Peter Heger das plötzliche Auftauchen von Wirbeltieren, Insekten und anderen bilateralsymmetrischen Tierstämmen mit der Entstehung eines bestimmten Gens in Verbindung, des CTCF-Gens (CCCTC-bindender Faktor).

Dieser Faktor ist unter anderem in der Lage, an DNA-Sequenzen im Hox-Gen-Cluster zu binden und so die Wirkung der sogenannten Hox-Gene zu beeinflussen, welche eine wichtige Rolle bei der Ausbildung des Körperbauplans spielen. Die Ergebnisse der Forscher deuten darauf hin, dass die Hox-CTCF Interaktion ebenso wie das CTCF-Gen selbst im gemeinsamen Vorläufer der Bilaterier entstanden sind. Dies könnte eine Erklärung für die plötzliche und einzigartige Entstehung neuer Körperbaupläne im Kambrium liefern.

Die Forschungen fanden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten SFB 680 „Molekulare Grundlagen evolutionärer Innovationen“ an der Universität zu Köln statt. Dr. Peter Heger ist Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thomas Wiehe. Der Artikel „The chromatin insulator CTCF and the emergence of metazoan diversity“ erscheint diese Woche in den “Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)”.

CTCF ist ein DNA-bindendes Protein, das zur Klasse der sogenannten Zinkfinger-Proteine gehört. Es ist ein sehr wichtiges Protein, das mitbestimmt, wie sich die DNA im Zellkern organisiert, ist aber bisher nur in Säugetieren und in der Fruchtfliege Drosophila gut untersucht. Die Kölner Forscher stellten fest, dass das CTCF-Gen offenbar in allen bilateralsymmetrischen Tieren vorkommt, nicht aber in einfacher gebauten Tieren oder anderen Organismen.
Mit bioinformatischen Methoden ließ sich weiter zeigen, dass die Sequenzen, an die CTCF bindet, ebenfalls nur in bilateralsymmetrischen Organismen angereichert sind. Das deutet darauf hin, dass die von Wirbeltieren bekannte genomweite Funktion von CTCF auch für andere Bilaterier zutreffen könnte.

Weil die Bedeutung von CTCF für die Steuerung von Genclustern (= wiederholte Anordnung ähnlicher Gene) bekannt war, untersuchten die Forscher CTCF-Bindestellen in den Hox-Gen-Clustern von Wirbeltieren und Drosophila. Sie stellten fest, dass die Sequenzen, an die CTCF bindet, evolutionär stabil sind und sich in beiden Tiergruppen über einige hundert Millionen Jahre kaum veränderten. Weil darüberhinaus bekannt ist, dass CTCF und seine Bindestellen für die Funktion der Hox-Gene in beiden Organismen wichtig sind, könnte die Verbindung zwischen CTCF und Hox-Gen-Regulation bereits im Vorläufer der bilateralsymmetrischen Tiere entstanden sein.
„Dass Hox-Gene nur in Bilateriern als Cluster vorliegen, könnte ebenfalls mit der Entstehung von CTCF erklärt werden“, so Dr. Heger, denn aufgrund seiner einzigartigen molekularen Eigenschaften ist dieses Protein maßgeblich an der Regulation einer Reihe von Genclustern beteiligt und könnte daher den entscheidenden Impuls für ihre Entstehung und Funktionsweise geliefert haben.

„Wenn man die verschiedenen Hinweise kombiniert“, so die Kölner Wissenschaftler, „ergibt sich die Möglichkeit, dass durch CTCF und seine Wechselwirkung mit den Hox-Genen eine Art 'Infrastruktur' geschaffen wurde, die es den Ahnen bilateralsymmetrischer Tiere ermöglicht hat, eine unerreichte Vielfalt von Körperbauplänen hervorzubringen.“
„Die Formulierung dieser Theorie ist ein exzellentes Beispiel dafür, wie mit Hilfe der Bioinformatik neue Einsichten gewonnen werden können“, so Professor Wiehe. Um die Theorie zu überprüfen, wollen die Kölner Forscher demnächst molekularbiologische Experimente durchführen.

Bei Rückfragen:
Prof. Dr. Thomas Wiehe (twiehe@uni-koeln.de)
Dr. Peter Heger (peter.heger@uni-koeln.de)

Link zum Artikel:
http://www.pnas.org/content/early/2012/10/04/1111941109.full.pdf+html

Verantwortlich: Dr. Patrick Honecker MBA – patrick.honecker@uni-koeln.de