Neue Einblicke in die Entwicklung des Chorda-Körperplans beantworten langjährige Fragen zur Evolution

Das Leben auf der Erde begann vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren, aber die Geschichte des Menschen und anderer Wirbeltiere macht nur einen Bruchteil dieser Zeitskala aus. Es wird angenommen, dass sich Chordatiere (eine Gruppe, zu der Wirbeltiere gehören) und Stachelhäuter (wie Seesterne und Seeigel) vor etwa 500 Millionen Jahren aus einem gemeinsamen deuterostomaren Vorfahren entwickelt haben. Wie sich der komplexe und ausgeklügelte Bauplan der Chordaten entwickelt hat, ist jedoch trotz seiner Bedeutung aus evolutionärer und entwicklungsbiologischer Sicht noch nicht vollständig geklärt. In Fachkreisen wird dieses Thema daher seit langem intensiv diskutiert.

Dank einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie ist jetzt eine Antwort in Sicht Entwicklungsbiologie von Dr. Hitoshi Tominaga, Dr. Koki Nishitsuji und Prof. Noriyuki Satoh von der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University in Japan.

Sowohl die Embryonal- als auch die Larvenentwicklung bei Tieren werden durch eine Reihe von Mustergenen reguliert, deren Expression eine Blaupause des Körperplans liefert. „Stachelhäuter sind eine Schwestergruppe der Chordaten. Daher könnten Einblicke in ihre Entwicklungsmuster nützliche Informationen über die Entwicklung des Körperbauplans bei Chordaten liefern. Daher haben wir Genexpressionsmuster während der Entwicklungsstadien bei Seesternen untersucht, insbesondere weil ihre Art der Embryogenese häufiger ist unter den Stachelhäutern als bei Seeigeln“, sagt Prof. Satoh, der diese Studie leitete.

Für die Expressionsanalyse zielte das Team auf Gastrulae (Embryonen) und Bipinnaria-Larven von Seesternen ab, die auch unter dem wissenschaftlichen Namen Patiria pectinifera bekannt sind. Sie analysierten die Genexpression auf Einzelzellebene in diesen Larven mithilfe von RNA-Sequenzierung und klassifizierten jede Zelle in 22 Cluster, basierend auf ihren spezifischen, gemeinsamen Profilen der entwicklungsrelevanten Genexpression.

„Bisher konnten wir die RNA-Expression auf Gewebeebene nur von einzelnen Genen untersuchen, was uns nur breite Einblicke in Entwicklungspläne gab“, erklärt Dr. Tominaga.

Sein Kollege Dr. Nishitsuji fügt hinzu: „Fortschritte wie die Einzelzell-RNA-Sequenzierung haben uns die Möglichkeit gegeben, diese Prozesse auf zellulärer Ebene durch eine Reihe von Genen zu analysieren.“

Durch ihre RNA-Sequenzierungsanalyse entwickelten die Forscher eine Karte von Genen für entwicklungsrelevante Transkriptionsfaktoren und Signalmoleküle, die in mehreren Entwicklungsstrukturen exprimiert werden – einschließlich des oralen und aboralen Ektoderms, der apikalen Platte, des Hinterdarms und des Mitteldarms, des Endomesoderms, Stomodeums und Mesenchyms in Gastrulae, sowie Neuronen, Ziliarbänder, Enterocoel und Muskeln in Larven.

Der nächste Schritt bestand darin, diese Karte mit einer Karte des Körperplans der Chorda-Larve zu vergleichen, die auf der Expression homologer (ähnlich zwischen zwei verschiedenen Arten) entwicklungsrelevanter Gene basiert. Amphioxus, ein uraltes Akkordatum, von dem angenommen wird, dass es den Ursprung von Wirbeltieren wie Menschen darstellt, wurde als Modell für Akkordaten ausgewählt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Ziliarbänder, Zölom, Stomodeum und Pharynx von Stachelhäuterlarven gelegt. Durch vergleichende Analysen von Seestern- und Amphioxus-Larven schlugen die Forscher eine neue Idee vor, wie sich der Chorda-Körperbauplan aus einem deuterostomaren Vorfahren entwickelt hat.

Prof. Satoh führt aus: „Durch diese Analyse und den Vergleich homologer Gene konnten wir verstehen, welche Gewebe oder Zellen des Vorfahren sich möglicherweise auch zu Chorda-Strukturen und Ambulakrarien-Strukturen entwickelt haben.“

Insbesondere fand das Team heraus, dass sich das Chorda-Nervensystem, wie das des Menschen, aus einer embryonalen Region des Vorfahren entwickelt hat, die den Ziliarbändern der Stachelhäuter entspricht. Darüber hinaus hat sich das chordate laterale Mesoderm – das Strukturen wie das Kreislaufsystem und die Körperwandmuskulatur hervorbringt – wahrscheinlich aus dem Echinoderm-Zölom des Embryos im Deuterostom-Vorfahren entwickelt. Schließlich entstand der Organisator von Spemann, der für die Induktion der Entwicklung von Nervenzellen verantwortlich ist, aus dem Stomodeum des Stachelhäuters des Embryos des Vorfahren.

Zusammen bieten die Ergebnisse ein potenzielles Modell für die Entwicklung von Stachelhäutern und Sehnen von einem gemeinsamen Deuterostom-Vorfahren. Dieses Modell beantwortet eine zentrale Frage der evolutionären Entwicklungsbiologie, indem es erklärt, wie Tiere verschiedener Taxa ihre charakteristischen Körperbaupläne entwickelt haben und wie diese Baupläne in verschiedenen Gruppen mit gemeinsamer Abstammung voneinander abweichen. Diese Studie stellt einen Meilenstein in der Forschung zur evolutionären Entwicklungsbiologie dar und beleuchtet einen zentralen Aspekt unserer eigenen Evolutionsgeschichte.