Die Evolution der evolutionären Entwicklungsbiologie

Die Evolution zu studieren, indem man sich ausschließlich auf Fossilien konzentriert, würde viele Fragen unbeantwortet lassen, aber die evolutionäre Entwicklungsbiologie (auch als „Evo-Devo“ bekannt) hilft, die Lücken zu schließen.

Evo-devo-Wissenschaftler untersuchen, wie sich tierische Embryonen entwickeln, was Rückschlüsse auf evolutionäre Veränderungen zulässt. Mit anderen Worten, sie untersuchen das Zusammenspiel von Genen, Zellen, Geweben und der Umwelt während der Embryonalentwicklung, um herauszufinden, wie Unterschiede in diesen Faktoren zu evolutionären Veränderungen über viele Generationen hinweg führen können, wie z. B. die Umwandlung einer Fischflosse in ein Wirbeltierglied .

Andrew Gillis, der später in diesem Sommer als assoziierter Wissenschaftler zu MBL kommt, vergleicht Evo-Devo mit einer Form vergleichender Entwicklungsbiologie. „Anstatt sich auf das Studium eines Tieres zu konzentrieren“, sagt Gillis, „vergleicht man, wie sich verschiedene Tiere entwickeln, um zu verstehen, wie Veränderungen in der Entwicklung zu Veränderungen in der Erwachsenenform geführt haben.“

Das Gillis-Labor konzentriert sich auf die frühesten Ereignisse in der Evolution von Wirbeltieren, wie die Ursprünge von Flossen, Kiemen und Kiefern. Um zu verstehen, welche Merkmale bei unseren ältesten Vorfahren der Wirbeltiere vorhanden waren, untersucht das Labor eine Vielzahl von Wirbeltieren aus weit entfernten Zweigen des Evolutionsbaums. Indem sie sehen, ob Merkmale von allen Tieren gemeinsam sind, können sie schließen, welche Vorfahren im Evolutionsbaum diese Merkmale gehabt haben könnten.

Evo-devo hat seit seinen Anfängen im späten 19. Jahrhundert Wellen der Aufregung nach technologischen Fortschritten erlebt, als Wissenschaftler begannen, nach Hinweisen auf evolutionäre Trends zu suchen, indem sie mithilfe von Histologie und Mikroskopie in Scheiben von Embryonen spähten. Das Interesse an Evo-Devo wurde erneut durch Fortschritte in der Molekularbiologie geweckt, die es Wissenschaftlern ermöglichten, Informationen über Gene und Genexpression während der Entwicklung zusammenzufügen. In den letzten Jahren hat das Gebiet eine weitere Wiedergeburt erlebt, da Werkzeuge zur Bearbeitung und Sequenzierung von Genomen neben neuen Mikroskopietechniken weiterentwickelt wurden. Trotz der langen Geschichte von evo-devo „gibt es alte Fragen, die noch weitgehend unbeantwortet bleiben“, erklärt Gillis.

Die Hauptfiguren in der entwicklungsbiologischen Forschung umfassen tendenziell Tiere wie Mäuse, Hühner, Zebrafische und Frösche. Evo-devo-Forscher vergleichen diese populären Forschungsorganismen oft mit weniger etablierten Organismen wie dem kleinen Rochen (Leucoraja erinacea). In der Vergangenheit wurden Schlittschuhe von Forschern im Labor von Neil Shubin, Evolutionsbiologe an der University of Chicago und ehemaliger Interimsdirektor des MBL, verwendet, um zu untersuchen, wie sich Flossen zu Gliedmaßen entwickelten. Gillis, ein ehemaliger Ph.D. Student von Shubin, hat eine neue Rolle für den kleinen Schlittschuh gefunden, um zu verstehen, wie sich der Kiefer entwickelt.

Gillis und seine ehemalige Studentin Christine Hirschberger, die derzeit Postdoktorandin an der University of Cambridge ist, veröffentlichten eine Arbeit in Entwicklung Diese Woche wurde eine kleine Struktur auf der Rückseite des Schlittschuhkiefers gefunden, die Hinweise darauf gibt, wie sich der Kiefer entwickelt haben könnte. Die fragliche Struktur, der Pseudozweig, ähnelt stark einer Kieme und teilt Zelltypen und Genexpressionsmerkmale mit Kiemen, was darauf hindeutet, dass sich der Kiefer wahrscheinlich aus denselben Strukturen entwickelt hat, die Kiemen erzeugen.

Der Pseudozweig war auch Gegenstand von a Studie über Zebrafische von Mathi Thiruppathy, Doktorandin im Labor von Gage Crump an der University of Southern California und Studentin im MBL-Embryology-Kurs in diesem Sommer. Neben der Verwendung ähnlicher Techniken wie Hirschberger und Gillis konnte die Gruppe um Thiruppathy weitere genetische Werkzeuge verwenden. Sie verwendeten mutierten kiemenlosen Zebrafisch, um zu zeigen, dass ein für die Entwicklung der Kiemen integrales Gen auch für die ordnungsgemäße Entwicklung der Pseudozweige unerlässlich ist, was seine evolutionäre Bindung an die Kiemen weiter unterstützt.

„Unser Ansatz ist ein wirkungsvoller Ansatz, um in naher Zukunft viele seit langem bestehende Fragen in Evo-Devo anzugehen: Identifizieren Sie regulatorische Programme, die für die Spezifizierung von Geweben oder Zelltypen verantwortlich sind, und verfolgen Sie dann den Einsatz dieses Programms innerhalb und zwischen den Arten, um Einblicke zu erhalten, wie diese Strukturen entwickelt“, sagt Thiruppathy. „Ich denke, die jüngsten Fortschritte in Einzelzelltechnologien und Genomik werden ein wichtiger Teil dieser Pipeline sein.“

Diese Papiere bauen auf früheren Arbeiten von Gillis‘ Team auf, in denen die genetischen Ähnlichkeiten zwischen den oberen und unteren Strukturen der Kiefer und Kiemen beschrieben wurden. Zusammen bieten diese Papiere überzeugende Beweise dafür, dass sich der Kiefer durch Modifikation einer Kieme der Vorfahren entwickelt hat.

Laut Gillis wird der nächste Schritt in dieser Forschungsrichtung darin bestehen, Fossilien von kieferlosen Wirbeltieren zu finden und zu beurteilen, ob auch sie Kiemen oder kiemenähnliche Strukturen haben, die Vorläufer von Kiefern sein könnten. Natürlich wird das eher die Aufgabe von Paläontologen als von evolutionären Entwicklungsbiologen sein, aber es gibt noch viele spannende Fragen, die Evo-Devo-Forscher beantworten müssen.