Was Oktopus und menschliche Gehirne gemeinsam haben

Kopffüßer wie Tintenfische, Tintenfische und Tintenfische sind hochintelligente Tiere mit komplexen Nervensystemen. Im Wissenschaftliche Fortschrittehat ein Team um Nikolaus Rajewsky vom Max-Delbrück-Centrum nun gezeigt, dass ihre Evolution mit einer dramatischen Erweiterung ihres microRNA-Repertoires verbunden ist.

Wenn wir in der Evolutionsgeschichte weit genug zurückgehen, begegnen wir dem letzten bekannten gemeinsamen Vorfahren von Menschen und Kopffüßern: ein primitives wurmähnliches Tier mit minimaler Intelligenz und einfachen Augenflecken. Später kann das Tierreich in zwei Gruppen von Organismen eingeteilt werden – solche mit Rückgrat und solche ohne. Während Wirbeltiere, insbesondere Primaten und andere Säugetiere, große und komplexe Gehirne mit vielfältigen kognitiven Fähigkeiten entwickelten, taten dies Wirbellose nicht. Mit einer Ausnahme: die Kopffüßer.

Wissenschaftler haben sich lange gefragt, warum sich ein so komplexes Nervensystem nur in diesen Mollusken entwickeln konnte. Nun hat ein internationales Team unter Leitung von Forschern des Max-Delbrück-Centrums und des Dartmouth College in den USA einen möglichen Grund dafür aufgezeigt. In einer Veröffentlichung in Wissenschaftliche Fortschritteerklären sie, dass Oktopusse ein massiv erweitertes Repertoire an microRNAs (miRNAs) in ihrem Nervengewebe besitzen – was ähnliche Entwicklungen wie bei Wirbeltieren widerspiegelt.

„Das verbindet uns also mit dem Oktopus“, sagt Professor Nikolaus Rajewsky, wissenschaftlicher Direktor des Berliner Instituts für Medizinische Systembiologie des Max-Delbrück-Centrums (MDC-BIMSB), Leiter des Systems Biology of Gene Regulatory Elements Lab, und der letzte Autor der Zeitung. Er erklärt, dass dieser Befund wahrscheinlich bedeutet, dass miRNAs eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung komplexer Gehirne spielen.

Im Jahr 2019 las Rajewsky eine Veröffentlichung über Genanalysen an Tintenfischen. Wissenschaftler hatten entdeckt, dass bei diesen Kopffüßern viel RNA-Editierung stattfindet – was bedeutet, dass sie ausgiebig Gebrauch von bestimmten Enzymen machen, die ihre RNA umcodieren können.

„Das brachte mich auf den Gedanken, dass Oktopusse nicht nur gut in der Bearbeitung sein könnten, sondern auch andere RNA-Tricks im Ärmel haben könnten“, sagt Rajewsky. Und so begann er eine Zusammenarbeit mit der Meeresforschungsstation Stazione Zoologica Anton Dohrn in Neapel, die ihm Proben von 18 verschiedenen Gewebearten von toten Kraken schickte.

Die Ergebnisse der Analysen waren überraschend: „Es wurde zwar viel RNA editiert, aber nicht in Bereichen, die wir für interessant halten“, sagt Rajewsky. Die interessanteste Entdeckung war in der Tat die dramatische Expansion einer bekannten Gruppe von RNA-Genen, den microRNAs.

Insgesamt wurden 42 neuartige miRNA-Familien gefunden – speziell in Nervengewebe und vor allem im Gehirn. Da diese Gene während der Evolution der Kopffüßer konserviert wurden, kommt das Team zu dem Schluss, dass sie für die Tiere eindeutig von Vorteil waren und daher funktionell wichtig sind.

Rajewsky forscht seit mehr als 20 Jahren an miRNAs. Anstatt in Messenger-RNAs übersetzt zu werden, die die Anweisungen für die Proteinproduktion in der Zelle liefern, kodieren diese Gene kleine RNA-Stücke, die an Boten-RNA binden und so die Proteinproduktion beeinflussen. Diese Bindungsstellen wurden auch während der Evolution der Kopffüßer konserviert – ein weiterer Hinweis darauf, dass diese neuartigen miRNAs von funktioneller Bedeutung sind.

Neue microRNA-Familien

„Dies ist die drittgrößte Erweiterung von microRNA-Familien in der Tierwelt und die größte außerhalb der Wirbeltiere“, sagt der Hauptautor Grygoriy Zolotarov, MD, ein ukrainischer Wissenschaftler, der während seines Medizinstudiums in Prag ein Praktikum in Rajewskys Labor am MDC-BIMSB absolvierte , und später. „Um Ihnen eine Vorstellung von der Größenordnung zu geben: Austern, die auch Weichtiere sind, haben seit den letzten Vorfahren, die sie mit Tintenfischen teilten, nur fünf neue microRNA-Familien erworben – während die Tintenfische 90 erworben haben.“

Austern, fügt Zolotarov hinzu, sind nicht gerade für ihre Intelligenz bekannt.

Rajewskys Faszination für Tintenfische begann vor Jahren bei einem abendlichen Besuch im Monterey Bay Aquarium in Kalifornien. „Ich sah diese Kreatur auf dem Boden des Tanks sitzen und wir verbrachten einige Minuten damit – so dachte ich – uns anzusehen.“ Er sagt, dass das Betrachten eines Oktopus ganz anders ist als das Betrachten eines Fisches: „Es ist nicht sehr wissenschaftlich, aber ihre Augen strahlen ein Gefühl von Intelligenz aus.“ Kraken haben ähnlich komplexe „Kamera“-Augen wie Menschen.

Aus evolutionärer Sicht sind Tintenfische einzigartig unter den Wirbellosen. Sie haben sowohl ein zentrales Gehirn als auch ein peripheres Nervensystem – eines, das in der Lage ist, unabhängig zu handeln. Wenn ein Oktopus einen Tentakel verliert, bleibt der Tentakel berührungsempfindlich und kann sich noch bewegen. Der Grund, warum nur Tintenfische solch komplexe Gehirnfunktionen entwickelt haben, könnte darin liegen, dass sie ihre Arme sehr gezielt einsetzen – zum Beispiel als Werkzeuge zum Öffnen von Muscheln.

Oktopusse zeigen auch andere Anzeichen von Intelligenz: Sie sind sehr neugierig und können sich Dinge merken. Sie können auch Menschen erkennen und mögen manche sogar mehr als andere. Forscher glauben inzwischen, dass sie sogar träumen, da sie im Schlaf ihre Farbe und Hautstruktur verändern.

Außerirdische Kreaturen

„Sie sagen, wenn Sie einen Außerirdischen treffen wollen, gehen Sie tauchen und freunden Sie sich mit einem Oktopus an“, sagt Rajewsky. Er plant nun, sich mit anderen Oktopus-Forschern zu einem europäischen Netzwerk zusammenzuschließen, das einen stärkeren Austausch zwischen den Wissenschaftlern ermöglichen soll. Obwohl die Community derzeit noch klein ist, wächst laut Rajewsky das Interesse an Tintenfischen weltweit, auch unter Verhaltensforschern.

Er sagt, es sei faszinierend, eine Form von Intelligenz zu analysieren, die sich völlig unabhängig von unserer entwickelt hat. Aber das ist nicht einfach: „Wenn man mit ihnen Tests mit kleinen Snacks als Belohnung macht, verlieren sie schnell das Interesse. Das sagen mir zumindest meine Kollegen“, sagt Rajewsky.

„Da Oktopusse keine typischen Modellorganismen sind, waren unsere molekularbiologischen Werkzeuge sehr begrenzt“, sagt Zolotarov. „Deshalb wissen wir noch nicht genau, welche Zelltypen die neuen microRNAs exprimieren.“ Rajewskys Team plant nun, eine in Rajewskys Labor entwickelte Technik anzuwenden, die die Zellen im Krakengewebe auf molekularer Ebene sichtbar machen wird.