Studie legt nahe, dass das Regulierungsprogramm des Gehirns vor der Entwicklung des Zentralnervensystems existierte

Neue Forschungen des Layden Lab in Lehigh haben gezeigt, dass die Genmechanismen, die während der Neurogenese im Gehirn wirken, tatsächlich vor der evolutionären Entwicklung des Zentralnervensystems liegen. Mit anderen Worten: Um unser Gehirn aufzubauen, leiht sich die Natur die Baupläne viel einfacherer Lebewesen aus, die auf der evolutionären Zeitachse vor uns und anderen Tieren existierten.

„Seeanemonen sind Nesseltiere, das Schwestertaxon der Bilaterier, zu denen Menschen und die meisten anderen Tiere gehören“, sagte Michael Layden, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften und Direktor des Layden Lab. „Unsere Forschung zeigt, dass diese Genprogramme möglicherweise vom gemeinsamen Vorfahren der Nesseltiere und Bilaterier geerbt wurden und möglicherweise nicht speziell für die Gehirnentwicklung angepasst wurden.“

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichtebasierten auf intensiver Forschung zur Untersuchung der Genmechanismen in den primitiven neuronalen Netzen von Nematostella vectensis, auch bekannt als Sternchen-Seeanemone.

Es ist ein großer Fortschritt bei der Beantwortung offener Fragen zur Entwicklung des Zentralnervensystems bei Tieren, einschließlich Menschen.

Eine dieser noch offenen Fragen für Wissenschaftler ist, ob alle Gehirne homolog sind, also von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, oder konvergent sind, also sich unabhängig voneinander in verschiedenen Tieren entwickelt haben, indem sie vorhandene Gene für diese neue Verwendung kooptiert haben.

Um eine Antwort zu finden, untersuchte das Layden-Labor Seeanemonen, um festzustellen, ob dieselben Genmuster, die die Entwicklung des Gehirns beeinflussen, während der Entwicklung des einfacheren, nicht gehirngebundenen neuronalen Netzes der Anemonen vorhanden waren.

Sollte dies der Fall sein, würde dieser Befund darauf hindeuten, dass sich keine neue, charakteristische Funktion hätte entwickeln müssen, um das Gehirn zu strukturieren, ein Argument gegen die homologe Theorie.

Forscher injizierten Nematostella-Embryonen zunächst mRNA im Einzelzellstadium, um die Expression der Gene von Interesse zu kontrollieren. Anschließend bewerteten sie die Veränderungen in der neuronalen Entwicklung mithilfe von Markergenen für verschiedene Neuronentypen.

Sie fanden heraus, dass das Genprogramm, das an der Strukturierung des Gehirns entlang der anterior-posterioren Achse beteiligt ist, auch für die Strukturierung des viel einfacheren neuronalen Netzes von Nematostella verantwortlich war. Sie fanden auch heraus, dass die Gene in neuronalen Netzen, die an der Regionalisierung beteiligt sind – also der Zuweisung von Zellen zu verschiedenen Regionen des Nervensystems –, auch bei der Regionalisierung aller anderen Zellarten funktionieren. Daher beschränken sich ihre Aufgaben nicht nur auf die Strukturierung des Gehirns.

Dieser Befund stützt auch die Hypothese, dass sich die Strukturierung des Zentralnervensystems durch die Übernahme breit wirkender Regionalisierungsprogramme entwickelt hat, die bei einem Vorfahren vorhanden waren und auch heute noch bei vielen Arten beobachtet werden können.

„Zumindest widerlegen unsere Ergebnisse das Argument, dass konservierte Regionalisierungsprogramme ausreichen, um die Homologie bilateraler Gehirne zu unterstützen“, sagte Layden. „Unsere Ergebnisse stützen die Kooptierungshypothese, da sich keine neue Funktion entwickeln müsste, damit axiale Programme unabhängig kooptiert werden könnten.“

Die Forschung ist ein Beispiel dafür, wie Wissenschaftler auf andere Lebewesen blicken, um ein Verständnis für uns selbst zu entwickeln. Laydens Labor untersucht auch die Mechanismen, die in Nematostella während des separaten, aber ähnlichen Prozesses der Nervenregeneration oder des Nachwachsens oder der Reparatur toter oder beschädigter Nervenzellen wirken.

Er glaubt, dass das Verständnis dieser Prozesse dazu beitragen könnte, den Grundstein für mögliche Anwendungen beim Menschen zu legen, beispielsweise für regenerative Therapien.

Natürlich hat die Evolution zu außergewöhnlichen Fortschritten im voll entwickelten Zentralnervensystem der Tiere gegenüber den primitiven neuronalen Netzen der Nesseltiere geführt. Die jeweiligen Nervensysteme von Menschen und Nesseltieren haben sich auf sehr unterschiedliche Weise entwickelt, um den sehr unterschiedlichen Bedürfnissen ihrer jeweiligen Art gerecht zu werden. Aber der Grundentwurf bleibt derselbe.

„Indem wir untersuchen, wie diese Tiere ihr Nervensystem aufbauen, können wir die Bausteine ​​verstehen“, sagte Layden. „Wenn Sie nicht wissen, wo Sie angefangen haben, ist es schwer zu wissen, wie Sie dort angekommen sind, wo Sie sind.“