Studie an Neunauge-Embryonen gibt Aufschluss über den evolutionären Ursprung des Wirbeltierkopfes

Der Ursprung des Wirbeltierschädels ist unter Evolutionsbiologen Gegenstand vieler Debatten. Einige glauben, dass sich der Kopf des Wirbeltiers als Ergebnis einer Modifikation der Segmentelemente des Rumpfes, wie der Wirbel und Somiten, entwickelt hat. Andererseits glauben andere, dass sich der Wirbeltierkopf als neuer, unsegmentierter Körperteil entwickelt hat, der nichts mit anderen weithin beobachteten embryonalen Segmentsegmenten von Somiten zu tun hat.

Interessanterweise haben frühere Studien an Embryonen das Vorhandensein einiger Überreste von Somiten im Kopfmesoderm gezeigt (z. B. Kopfhöhlen und Somitomere). Die Homologie zwischen Rumpfsegmenten und solchen Kopfsegmenten ist jedoch umstritten.

Das Unvermögen, die evolutionären Ursprünge des Wirbeltierkopfes zu verstehen, ist auch auf das Fehlen von Studien zu heute lebenden Arten wie Neunaugen zurückzuführen, von denen bekannt ist, dass sie mehrere Merkmale mit fossilen kieferlosen Wirbeltieren gemeinsam haben und primitive Merkmale im Zusammenhang mit dem Kopfmesoderm beibehalten.

Während sich einige Studien auf die embryonale Morphologie von Neunaugen konzentrierten, scheiterten sie oft an Herausforderungen wie Gewebezerstörung und Säurefixierung während der Untersuchung, was es schwierig machte, die Bildung von Kopfmesoderm und Rumpf-Somiten zu beobachten.

Jetzt hat jedoch ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Takayuki Onai von der Universität Fukui, Japan, fortschrittliche Techniken wie Transmissionselektronenmikroskopie und serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie (SBF-SEM) eingesetzt, um die Entwicklung des Kopfmesoderms zu verstehen und Somiten in Neunauge-Embryonen.

Die Forscher analysierten auch die Morphologie und Genexpressionsmuster von Cephalochordat und Hemichordat (beides Wirbellose), um die Ursprünge von Somiten und Kopfmesoderm aus evolutionärer Sicht zu verstehen.

Dieses Papier ist veröffentlicht im Tagebuch iScienceund ist Co-Autor von Dr. Noritaka Adachi von der Universität Aix-Marseille, Dr. Hidetoshi Urakubo vom National Institute for Physiological Sciences (NIPS), Dr. Fumiaki Sugahara von der Hyogo Medical University, Dr . Mami Matsumoto vom NIPS und der Nagoya City University und Dr. Nobuhiko Ohno vom NIPS.

Um das Vorhandensein oder Fehlen von Somiten im Kopfmesoderm in den frühen Stadien der Diversifizierung zu klären, konzentrierten sich die Forscher auf Rosetten, bei denen es sich um wichtige Somitenmuster handelt, die für die spätere Entwicklung von Wirbeln wichtig sind. Ihre ersten Beobachtungen an Neunauge-Embryonen zeigten, dass das Gewebe, das eng mit der Bildung von Gesichtsmuskeln und anderen Elementen des Schädels zusammenhängt, das sogenannte Kopfmesoderm, Zellcluster mit Merkmalen aufwies, die denen von Somiten-Rosetten ähnelten.

Um zu klären, ob es sich bei diesen Zellclustern um Rosetten handelte, führten sie ultrastrukturelle Experimente durch, darunter SBF-SEM und Genexpressionsanalyse. Die Untersuchung der Zellmorphologie und der Genexpression ergab, dass sich die Zellhaufen deutlich von Rosetten unterschieden. „Bei den von uns beobachteten Zellhaufen handelt es sich wahrscheinlich um Neunauge-spezifische Merkmale, da sie im Kopfmesoderm von Schleimaal- und Haiembryonen nicht erkennbar sind“, erklärt Dr. Onai.

Darüber hinaus ergab die Genexpressionsanalyse auch das Fehlen einer segmentalen Expression von Genen, die mit der Somitogenese in Zusammenhang stehen, was auf deren Unterscheidung von Somiten hinweist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das bei Somiten typische Rosettenmuster nicht unbedingt das wesentliche oder grundlegendste Merkmal ist, das den Prozess der Körpersegmentierung definiert.

Darüber hinaus liefern die Experimente Hinweise darauf, dass das Kopfmesoderm der Wirbeltiere in den frühen Phasen der Wirbeltierentwicklung divergierte. Darüber hinaus ergab ein Vergleich der Embryonen von Hemichordates (ein basales Deuterostom), Amphioxus (ein basales Chordat) und Wirbeltieren, dass die Somiten wahrscheinlich aus dem „Endomesoderm“-Gewebe eines alten Deuterostom-Vorfahren stammten.

Der evolutionäre Ursprung von Somiten ist seit mehr als 150 Jahren die zentrale Frage in der Zoologie, und in dieser Studie haben Onai et al. enthüllte das Rätsel. In Bezug auf den evolutionären Mechanismus für die Entstehung des Kopfmesoderms stellten sie fest, dass das Kopfmesoderm durch die Trennung mesodermaler Gene zwischen den Vorder- und Hinterteilen der Organismen (rostrokaudale Achse) entstand.

„Unsere Ergebnisse zeigten einen anderen evolutionären Ursprung für das Kopfmesoderm der Wirbeltiere, was darauf hindeutet, dass es sich aus der Neustrukturierung eines alten Mesoderms entwickelte und sich bereits vor dem Aufkommen der Kieferwirbeltiere diversifizierte“, schließt Dr. Onai.

Zusammenfassend spricht die Feststellung, dass sich die im Kopfmesoderm vorhandenen Zellcluster morphologisch und molekular von Somiten unterscheiden, für ein neues Modell, bei dem das Kopfmesoderm der Wirbeltiere während der frühen Evolution divergierte. Dies wirft mehr Licht auf die jahrhundertealte Debatte über die Evolution des Wirbeltierkopfes und kann uns helfen, das Verständnis unserer eigenen Herkunft zu verbessern.