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Wo liegt der Ursprung der Muskulatur?

28.06.2012
Wer sich bewegen kann, kann fliehen, Beute machen, große Distanzen überwinden und damit neue Lebensräume erobern. Die Evolution von Muskulatur stellt daher einen wichtigen Schritt in der tierischen Entwicklung dar.

Der Biologe Ulrich Technau und sein Team von der Universität Wien sind der Frage nach dem Ursprung der Muskulatur nachgegangen und zeigen auf, dass manche zentrale Bestandteile von Muskeln höherer Tiere viel älter sind als bisher angenommen, während die Spezialisierung der grundlegenden Muskelzelltypen, wie gestreifte Muskulatur, erst später und dafür mehrfach unabhängig erfolgte. Die Ergebnisse publizierten die ForscherInnen im renommierten Journal "Nature".


Seitenansicht einer jungen Meduse (Clytia hemisphaerica). Die Muskulatur ist rot angefärbt, die Zellkerne blau. Die Qualle bewegt sich durch das Wasser durch Kontraktion der gestreiften Ringmuskulatur. Foto: Johanna Kraus


Die Qualle Clytia hemisphaerica beim Schwimmen. Die Kontraktion von gestreifter Ringmuskulatur führt zum Wasserrückstoß und zur Vorwärtsbewegung. Foto: Patrick Steinmetz

Ein besonderes Merkmal fast aller Tiere ist es, sich mithilfe ihrer Muskulatur bewegen zu können. Während Struktur und Funktion von Muskulatur insbesondere bei Wirbeltieren sehr gut untersucht sind, ist der evolutionäre Ursprung von glatter und gestreifter Muskulatur bislang weitgehend im Dunkeln geblieben. Durch vergleichende Genom- und Genexpressionsstudien konnten die ForscherInnen Patrick Steinmetz, Johanna Kraus und Ulrich Technau in einer internationalen Zusammenarbeit mit WissenschafterInnen aus Deutschland, Frankreich und Australien die Evolution von Muskelbestandteilen in ursprünglichen Tieren wie Seeanemonen, Quallen und Schwämmen nachzeichnen.

Genduplikation
Durch stammesgeschichtliche Vergleiche konnten sie nachweisen, dass eines der entscheidenden Strukturproteine der gestreiften Muskulatur bei Wirbeltieren, ein spezielles Myosin-Motorprotein, durch eine Genduplikation entstanden ist. "Da dieses spezielle Myosin bisher ausschließlich in Muskelzellen gefunden wurde, hätten wir erwartet, dass sein Ursprung mit der Entstehung von Muskeln zusammenfällt. Wir waren überrascht, dass das 'Muskel-Myosin' seinen Ursprung vermutlich bereits in Einzellern hatte, lange bevor die ersten Tiere gelebt haben", erläutert Ulrich Technau.
Forschungen an Schwämmen …
"In Schwämmen, die allesamt noch keine Muskeln besitzen, scheint das 'Muskel-Myosin' eine Funktion bei der Regulation des Wasserstroms zu besitzen", präzisiert Gert Wörheide (Ludwig-Maximilians-Universität München), dessen Arbeitsgruppe zusammen mit Michael Nickel (Universität Jena) und Bernard Degnan (Universität Queensland) die Untersuchung von Muskelproteinen an Schwämmen durchführte.
… und Quallen
Eine besondere Stellung für das Verständnis der Evolution der Muskulatur nehmen die zu den Nesseltieren gehörenden Quallen ein, eine Tiergruppe, die sich bereits vor etwa 600 Millionen Jahren abgespalten hat und die über gestreifte Muskeln verfügt. Da sie in ihrer Struktur der gestreiften Muskulatur von Wirbeltieren und Insekten ähnelten, ging man bislang davon aus, dass sie einen gemeinsamen Ursprung haben müssten. Tatsächlich exprimieren diese gestreiften Muskeln zwar auch jenes uralte "Muskel-Myosin", es fehlen ihnen jedoch einige essentielle Komponenten, die charakteristisch für den Aufbau und Funktion von gestreifter Muskulatur in höheren Tieren sind.

Dies lässt den Schluss zu, dass trotz der großen äußeren Ähnlichkeiten die gestreiften Muskeln von Quallen und höheren Tieren unabhängig voneinander entstanden sind. Die Studie entwirft ein neues Bild, wie scheinbar komplexe Strukturen wie gestreifte Muskulatur in der Evolution auf der Basis von einer Reihe von sehr alten Komponenten mehrfach unabhängig entstehen können.

Publikation in "Nature":
Independent evolution of striated muscles in cnidarians and bilaterians: Patrick R.H. Steinmetz, Johanna E.M. Kraus, Claire Larroux, Jörg U. Hammel, Annette Amon-Hassenzahl, Evelyn Houliston, Gert Wörheide, Michael Nickel, Bernard M. Degnan & Ulrich Technau. Nature (2012).

DOI: 10.1038/nature11180

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Ulrich Technau
Department für Molekulare Evolution
und Entwicklung
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14
T +43-1-4277-570 00
M +43-664-602 77-570 00
ulrich.technau@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
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M +43-664-602 77-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at

Alexandra Frey | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at

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