Wo liegt der Ursprung der Muskulatur?

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“.

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

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