Die Nesselzellen von Quallen enthalten Hinweise auf die Entstehung neuer Zelltypen

Die Nesselzellen – oder Nesselzellen – die für Seeanemonen, Hydraen, Korallen und Quallen charakteristisch sind und uns beim Waten im Meer auf unsere Füße achten lassen, sind laut New ein hervorragendes Modell, um die Entstehung neuer Zelltypen zu verstehen Cornell-Forschung.

In neuen Forschungsergebnissen, die in der Proceedings of the National Academy of Sciences Am 2. Mai zeigte Leslie Babonis, Assistenzprofessorin für Ökologie und Evolutionsbiologie am College of Arts and Sciences, dass sich diese Nesselzellen durch die Umnutzung eines Neurons entwickelten, das von einem prännidarischen Vorfahren geerbt wurde.

„Diese überraschenden Ergebnisse zeigen, wie neue Gene neue Funktionen übernehmen, um die Evolution der Biodiversität voranzutreiben“, sagte Babonis. „Sie legen nahe, dass die Kooption von angestammten Zelltypen eine wichtige Quelle für neue Zellfunktionen während der frühen Evolution der Tiere war.“

Zu verstehen, wie spezialisierte Zelltypen wie zum Beispiel Nesselzellen entstehen, ist eine der größten Herausforderungen in der Evolutionsbiologie, sagte Babonis. Seit fast einem Jahrhundert ist bekannt, dass sich Cnidozyten aus einem Pool von Stammzellen entwickeln, aus denen auch Neuronen (Gehirnzellen) entstehen, aber bis jetzt wusste niemand, wie diese Stammzellen entscheiden, ob sie entweder ein Neuron oder eine Cnidozyten bilden. Das Verständnis dieses Prozesses bei lebenden Nesseltieren kann Hinweise darauf geben, dass sich Cnidozyten überhaupt erst entwickelt haben, sagte Babonis.

Cnidozyten („cnidos“ ist griechisch für „Brennnessel“), die Arten im diversen Stamm Cnidaria gemeinsam sind, können einen giftigen Widerhaken oder Klecks auslösen oder es Nesseltieren ermöglichen, Beute zu betäuben oder Eindringlinge abzuschrecken. Nesseltiere sind die einzigen Tiere, die Knidozyten haben, aber viele Tiere haben Neuronen, sagte Babonis. Daher untersuchten sie und ihre Kollegen am Whitney Lab for Marine Bioscience der University of Florida Nesseltiere – insbesondere Seeanemonen – um zu verstehen, wie ein Neuron umprogrammiert werden kann, um eine neue Zelle zu bilden.

„Eines der einzigartigen Merkmale von Cnidozyten ist, dass sie alle ein explosives Organell (eine kleine Tasche in der Zelle) haben, das die Harpune enthält, die herausschießt, um Sie zu stechen“, sagte Babonis. „Diese Harpunen bestehen aus einem Protein, das ebenfalls nur in Nesseltieren vorkommt, daher scheinen Nesselzellen eines der deutlichsten Beispiele dafür zu sein, wie der Ursprung eines neuen Gens (das ein einzigartiges Protein codiert) die Evolution eines neuen Zelltyps vorantreiben könnte .“

Unter Verwendung funktioneller Genomik in der Sternchen-Seeanemone Nematostella vectensis zeigten die Forscher, dass sich Cnidozyten entwickeln, indem sie die Expression eines Neuropeptids, RFamid, in einer Untergruppe von sich entwickelnden Neuronen abschalten und diese Zellen als Cnidozyten umfunktionieren. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass ein einziges Nesseltier-spezifisches regulatorisches Gen sowohl für das Ausschalten der neuralen Funktion dieser Zellen als auch für das Einschalten der Nesseltier-spezifischen Merkmale verantwortlich ist.

Neuronen und Cnidozyten haben eine ähnliche Form, sagte Babonis; beide sind sekretorische Zellen, die etwas aus der Zelle ausstoßen können. Neuronen sezernieren Neuropeptide – Proteine, die Informationen schnell an andere Zellen weitergeben. Cnidozyten scheiden mit Gift geschnürte Harpunen aus.

„Es gibt ein einzelnes Gen, das wie ein Lichtschalter funktioniert – wenn es an ist, bekommt man eine Nesselzelle, wenn es aus ist, bekommt man ein Neuron“, sagte Babonis. „Es ist eine ziemlich einfache Logik zur Kontrolle der Zellidentität.“

Dies ist die erste Studie, die zeigt, dass diese Logik bei einem Nesseltier vorhanden ist, sagte Babonis, sodass dieses Merkmal wahrscheinlich reguliert, wie sich die Zellen bei den frühesten mehrzelligen Tieren voneinander unterscheiden.

Babonis und ihr Labor planen zukünftige Studien, um zu untersuchen, wie weit verbreitet dieser genetische Aus-/Einschalter bei der Schaffung neuer Zelltypen in Tieren ist. Ein Projekt wird beispielsweise untersuchen, ob ein ähnlicher Mechanismus den Ursprung der neuartigen skelettsezernierenden Zellen in Korallen antreibt.