Die überwiegende Mehrheit der heute lebenden Wirbeltierarten, einschließlich des Menschen, gehört zur Gruppe der Kieferwirbeltiere. Die Entwicklung von beweglichen Kiefern während der Evolution der Wirbeltiere war einer der bedeutendsten evolutionären Übergänge von kieferlosen zu kiefertragenden Wirbeltieren, der vor mindestens 423 Millionen Jahren stattfand. Unter- und Oberkiefer waren ursprünglich durch das primäre Kiefergelenk verbunden. Dieses wanderte jedoch während der Evolution der Säugetiere zur Verbesserung des Hörvermögens ins Mittelohr und wurde durch das sekundäre Kiefergelenk ersetzt, wie es heute der Mensch ist.
Das primäre Kiefergelenk wird während der Embryonalentwicklung gebildet und besitzt ein aktives Gen, das Sequenzinformationen für ein bestimmtes Protein enthält – den Transkriptionsfaktor Nkx3.2. Lange Zeit wurde angenommen, dass dieses Protein eine wichtige Rolle bei der Evolution dieses Kiefergelenks gespielt hat, aber bisher war wenig darüber bekannt, wie seine Genaktivität in den Kiefergelenkszellen reguliert wird.
Gene aktivieren
Typischerweise werden Gene mit Hilfe von DNA-Sequenzen aktiviert, die als Enhancer bekannt sind und keine Gensequenzinformationen enthalten. Darüber hinaus kann eine solche „regulatorische“ DNA nur in einem bestimmten Zelltyp zur Aktivierung des Gens beitragen und kann zwischen verschiedenen Tierarten konserviert werden.
„Wir haben die Genomsequenzen vieler verschiedener Wirbeltierarten durchsucht und die DNA-Sequenz nur in der Nähe des Nkx3.2-Gens bei Wirbeltieren mit Kiefer gefunden – nicht bei Wirbeltieren ohne Kiefer. Als wir diese DNA-Sequenzen von Wirbeltieren mit Kiefern in Zebrafischembryos injizierten, wurden sie alle aktiviert in den Kiefergelenkszellen. Die Tatsache, dass ihre Aktivierungsfähigkeit über 400 Millionen Jahre erhalten geblieben ist, zeigt, wie wichtig sie für Kieferwirbeltiere ist“, sagt Tatjana Haitina, Forscherin an der Universität Uppsala, die die Studie leitete.
„In Experimenten, in denen wir die neu entdeckte DNA-Sequenz mit der CRISPR/Cas9-Technik aus dem Genom des Zebrafischs gelöscht haben, haben wir gesehen, dass die frühe Aktivierung des Nkx3.2-Gens reduziert war, was zu Defekten in der Kiefergelenkform führte. Es stellte sich heraus diese Defekte wurden später repariert, was darauf hindeutet, dass es irgendwo im Genom zusätzliche regulatorische DNA gibt, die die Aktivierung des Nkx3.2-Gens steuert und darauf wartet, entdeckt zu werden“, ergänzt Jake Leyhr, Doktorand im Forschungsteam.
Die Forscher hoffen, dass ihre Entdeckung ein wichtiger Schritt ist, um schließlich den Prozess hinter den Ursprüngen der Kiefer von Wirbeltieren zu verstehen.
Die Studie wurde veröffentlicht in eLife.
Mehr Informationen:
Jake Leyhr et al., Ein neuartiges cis-regulatorisches Element treibt die frühe Expression von Nkx3.2 im gnathostomen primären Kiefergelenk voran, eLife (2022). DOI: 10.7554/eLife.75749