Lange Zeit wurde angenommen, dass Seesterne überhaupt keinen Kopf haben, doch möglicherweise handelt es sich bei ihnen um nichts anderes

Seit Jahrhunderten rätseln Naturforscher darüber, was der Kopf eines Seesterns sein könnte, der gemeinhin „Seestern“ genannt wird. Wenn man einen Wurm oder einen Fisch betrachtet, ist klar, welches Ende der Kopf und welches der Schwanz ist. Aber mit ihren fünf identischen Armen – von denen jeder die Führung übernehmen kann, wenn es darum geht, Seesterne über den Meeresboden zu treiben – kann sich niemand vorstellen, wie man das vordere Ende des Organismus von hinten bestimmen kann. Dieser ungewöhnliche Körperbau hat viele zu dem Schluss geführt, dass Seesterne möglicherweise überhaupt keinen Kopf haben.

Doch nun haben Labore der Stanford University und der UC Berkeley, jeweils unter der Leitung von Chan Zuckerberg Biohub San Francisco Investigators, eine Studie veröffentlicht, die zeigt, dass die Wahrheit eher dem absoluten Gegenteil entspricht. Kurz gesagt: Während das Team fast überall bei jungen Seesternen Gensignaturen entdeckte, die mit der Kopfentwicklung in Zusammenhang stehen, fehlte die Expression von Genen, die für den Rumpf und die Schwanzabschnitte eines Tieres kodieren, weitgehend.

Die Forscher nutzten eine Vielzahl hochtechnologischer molekularer und genomischer Techniken, um zu verstehen, wo verschiedene Gene während der Entwicklung und des Wachstums von Seesternen exprimiert wurden. Ein Team in Southampton nutzte Mikro-CT-Scans, um die Form und Struktur des Tieres in beispiellosem Detail zu verstehen.

In einem weiteren überraschenden Befund waren molekulare Signaturen, die typischerweise mit dem vordersten Teil des Kopfes verbunden sind, in der Mitte jedes Arms des Seesterns lokalisiert, wobei diese Signaturen nach und nach nach außen zu den Armrändern hin sichtbar wurden.

Die Forschung, veröffentlicht am 1. November in Naturdeutet darauf hin, dass Seesterne im Laufe der Evolution keineswegs kopflos waren, sondern ihre Körper verloren und nur noch zu Köpfen wurden.

„Es ist, als ob dem Seestern völlig der Rüssel fehlt und man ihn am besten als nur einen Kopf beschreiben kann, der über den Meeresboden kriecht“, sagte Laurent Formery, Postdoktorand und Hauptautor der neuen Studie. „Es ist überhaupt nicht das, was Wissenschaftler über diese Tiere angenommen haben.“

Zwei der drei leitenden Co-Autoren der Studie, der Meeres- und Entwicklungsbiologe Christopher Lowe von der Stanford University und Daniel Rokhsar von der UC Berkeley, ein Experte für die molekulare Evolution von Tierarten, arbeiten seit einem Jahrzehnt zusammen.

Ein sternförmiges Puzzle

Fast alle Tiere, auch der Mensch, sind bilateral symmetrisch, das heißt, sie können entlang einer einzigen Achse, die vom Kopf bis zum Schwanz reicht, in zwei gespiegelte Hälften geteilt werden. 1995 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an drei Wissenschaftler verliehen, die anhand von Fruchtfliegen gezeigt hatten, dass der bilaterale Kopf-Schwanz-Körperplan, der bei den meisten Tieren zu beobachten ist, auf der Wirkung einer Reihe molekularer Schalter beruht, die durch Gene kodiert werden , ausgedrückt in definierten Kopf- und Rumpfregionen.

Forscher haben seitdem bestätigt, dass die gleiche genetische Programmierung bei der überwiegenden Mehrheit der Tierarten, einschließlich Wirbeltieren wie Menschen und Fischen, sowie bei vielen Wirbellosen wie Insekten und Würmern vorliegt.

Doch der Körperbauplan von Seesternen hat das Verständnis der Wissenschaftler über die Evolution der Tiere lange Zeit erschüttert. Anstatt eine bilaterale Symmetrie zu zeigen, haben erwachsene Seesterne – und verwandte Stachelhäuter wie Seeigel und Seegurken – eine fünfzählige Symmetrieachse ohne klaren Kopf oder Schwanz. Und niemand konnte herausfinden, wie die genetische Programmierung diese ungewöhnliche fünffache Symmetrie antreibt.

Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass sich bei Seesternen die Kopf-Schwanz-Achse vom gepanzerten Rücken des Tieres bis zu seinem Unterleib erstrecken könnte, der mit sogenannten Röhrenfüßen bedeckt ist. Andere haben vorgeschlagen, dass jeder der fünf Arme des Seesterns einer Kopie einer herkömmlichen Kopf-Schwanz-Achse entspricht.

Bemühungen, solche Hypothesen endgültig zu bestätigen, stießen jedoch auf Herausforderungen, vor allem weil Methoden zum Nachweis der Genexpression, die hauptsächlich in einer kleinen Anzahl von Modellorganismen wie Mäusen und Fliegen entwickelt wurden, im Gewebe junger Seesterne nicht gut funktionieren. Seit Jahren brennen Lowe und seine Kollegen darauf, genetische Informationen zur Klärung dieser Frage heranzuziehen, indem sie die genetische Aktivität bei sich entwickelnden Seesternen kartieren. Aber ohne die komplexen genetischen Werkzeugsätze, die in jahrzehntelanger Forschung entwickelt wurden und für typische Modellorganismen existieren, wäre eine solch umfassende Analyse entmutigend.

Bahnbrechende Technologie

Auf eine Lösung für dieses Problem stieß Lowe bei einem der regelmäßigen Treffen der Biohub Investigators in San Francisco, wo ein anderer Forscher ihm vorschlug, PacBio zu kontaktieren, ein im Silicon Valley ansässiges Unternehmen, das Geräte zur Genomsequenzierung herstellt. In den letzten fünf Jahren hatte PacBio eine Technik zur Sequenzierung riesiger Mengen genetischen Materials perfektioniert, wobei Chips in Briefmarkengröße vollgepackt waren mit Millionen einzelner chemischer Reaktoren, von denen jeder darauf vorbereitet war, gleichzeitig lange Abschnitte der darin eingefangenen DNA zu lesen.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Sequenzierung, bei der genetisches Material in kleine Stücke zerhackt werden muss, um Genauigkeit zu gewährleisten, kann der Ansatz von PacBio, der als HiFi-Sequenzierung bezeichnet wird, hochpräzise Daten aus intakten DNA-Strängen in Gengröße gewinnen, was den Prozess viel schneller und kostengünstiger macht. Das war genau das, was Lowe und sein Team brauchten, um einen Prozess zur Untersuchung der Genetik von Seesternen von Grund auf zu etablieren.

„Die Art der Sequenzierung, die Monate gedauert hätte, kann jetzt in wenigen Stunden durchgeführt werden, und sie ist hunderte Male billiger als noch vor fünf Jahren“, sagte David Rank, ebenfalls Co-Senior-Autor der neuen Studie und ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter von PacBio. „Diese Fortschritte bedeuteten, dass wir bei einem Organismus, der normalerweise nicht im Labor untersucht wird, im Wesentlichen bei Null anfangen und eine detaillierte Studie zusammenstellen konnten, die vor zehn Jahren unmöglich gewesen wäre.“

Diese Technologie ermöglichte es den Forschern, die Genome der Seesterne zu sequenzieren und einen Ansatz namens räumliche Transkriptomik anzuwenden, mit dem sie genau bestimmen konnten, welche Seestern-Gene an bestimmten Stellen im Organismus aktiv sind. Um nach Mustern zu suchen, die auf eine Kopf-Schwanz-Achse hinweisen würden, untersuchten die Forscher Genexpressionsunterschiede in drei verschiedenen Richtungen im Körper: von der Mitte des Seesterns bis zu seinen Armspitzen, von seiner Oberseite bis zu seinem Unterbauch und von einer Seite Kante seiner Arme zur anderen.

Um dann genauer zu sehen, wie sich bestimmte Schlüsselgene verhielten, markierten sie sie einzeln mit fluoreszierenden Farbstoffen, um eine detaillierte Karte ihrer Verteilung im Körper der Seesterne zu erstellen.

Die Forscher fanden heraus, dass keine der vorherrschenden Hypothesen über die Struktur des Seesternkörpers richtig war. Stattdessen stellten sie fest, dass die Genexpression, die dem Vorderhirn bei Menschen und anderen bilateral symmetrischen Tieren entspricht, entlang der Mittellinie der Arme von Seesternen lokalisiert war, wobei die Genexpression der des menschlichen Mittelhirns in Richtung der Außenkanten der Arme entsprach.

Während die Gene, die bei Menschen und anderen Bilateriern verschiedene Unterregionen des Kopfes markieren, im Seestern exprimiert wurden, wurde nur eines der Gene, die bei Tieren typischerweise mit dem Rumpf assoziiert sind, an den äußersten Rändern der Arme der Seesterne exprimiert.

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stachelhäuter und insbesondere die Seesterne das dramatischste Beispiel für die Entkopplung der Kopf- und Rumpfregionen aufweisen, das uns heute bekannt ist“, sagte Formery und fügte hinzu, dass einige bizarr aussehende Vorfahren der Seesterne erhalten blieben Im Fossilienbestand scheint es einen Stamm gegeben zu haben. „Es wirft einfach eine Menge neuer Fragen auf, mit deren Erforschung wir jetzt beginnen können.“

Eine Tür zu neuen Entdeckungen

Zu den Fragen, mit denen sich das Team als Nächstes befassen möchte, gehört die Frage, ob die bei Seesternen beobachteten genetischen Muster auch bei Seeigeln und Seegurken zu finden sind. Formery seinerseits möchte auch untersuchen, was uns der Seestern über die Entwicklung des Nervensystems lehren kann, das, wie er sagte, bei Stachelhäutern niemand ganz versteht.

Mehr über den Seestern und seine Verwandten zu erfahren, werde nicht nur dazu beitragen, wichtige Rätsel der Tierentwicklung zu lösen, sondern könnte auch Innovationen in der Medizin anregen, sagten die Forscher. Seesterne bewegen sich, indem sie Wasser durch Tausende von Röhrenfüßen bewegen, und verdauen ihre Beute, indem sie ihren Magen aus ihrem Körper herausschleudern. Es liegt auf der Hand, dass diese ungewöhnlichen Kreaturen auch völlig unerwartete Strategien entwickelt haben, um gesund zu bleiben – was, wenn wir uns die Zeit nehmen, sie zu verstehen, unsere Ansätze zur Bekämpfung menschlicher Krankheiten erweitern könnte.

„Es ist sicherlich schwieriger, an Organismen zu arbeiten, die weniger häufig untersucht werden“, sagte Rokhsar. „Aber wenn wir die Gelegenheit nutzen, ungewöhnliche Tiere zu erforschen, die auf ungewöhnliche Weise funktionieren, bedeutet das, dass wir unsere Sicht auf die Biologie erweitern, was uns letztendlich dabei helfen wird, sowohl ökologische als auch biomedizinische Probleme zu lösen.“