Vor siebenhundert Millionen Jahren tauchte zum ersten Mal ein bemerkenswertes Geschöpf auf. Obwohl es nach heutigen Maßstäben vielleicht nicht viel anzusehen war, hatte das Tier eine Vorder- und eine Rückseite, eine Oberseite und eine Unterseite. Dies war damals eine bahnbrechende Anpassung, die den grundlegenden Körperbauplan festlegte, den die meisten komplexen Tiere, einschließlich des Menschen, schließlich erben würden.
Das unscheinbare Tier lebte in den alten Meeren der Erde und krabbelte wahrscheinlich über den Meeresboden. Dies war der letzte gemeinsame Vorfahre der Bilaterier, einer riesigen Supergruppe von Tieren, zu denen Wirbeltiere (Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere) und Wirbellose (Insekten, Arthropoden, Weichtiere, Würmer, Stachelhäuter und viele mehr) gehören.
Bis heute können mehr als 7.000 Gengruppen auf den letzten gemeinsamen Vorfahren der Bilateralen zurückgeführt werden, wie aus einer Studie mit 20 verschiedenen Bilateralen-Arten hervorgeht, darunter Menschen, Haie, Eintagsfliegen, Tausendfüßler und Kraken. Die Ergebnisse wurden von Forschern des Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona gemacht und heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturökologie und Evolution.
Bemerkenswerterweise ergab die Studie, dass rund die Hälfte dieser angestammten Gene seitdem von Tieren für den Einsatz in bestimmten Körperteilen, insbesondere im Gehirn und im Fortpflanzungsgewebe, umfunktioniert wurden. Die Ergebnisse sind überraschend, da alte, konservierte Gene normalerweise grundlegende und wichtige Aufgaben erfüllen, die in vielen Teilen des Körpers benötigt werden.
Als die Forscher genauer hinsahen, stellten sie fest, dass eine Reihe zufälliger „Kopieren und Einfügen“-Fehler während der bilateralen Evolution dafür verantwortlich waren. Beispielsweise gab es schon früh in der Geschichte der Wirbeltiere einen bedeutsamen Moment. Eine Reihe gewebespezifischer Gene tauchten erstmals zeitgleich mit zwei Duplikationsereignissen des gesamten Genoms auf.
Tiere könnten eine Kopie für grundlegende Funktionen behalten, während die zweite Kopie als Rohmaterial für evolutionäre Innovationen verwendet werden könnte. Ereignisse wie diese traten in unterschiedlichem Ausmaß im gesamten bilateralen Evolutionsbaum ständig auf.
„Unsere Gene sind wie eine riesige Bibliothek von Rezepten, die auf unterschiedliche Weise zubereitet werden können, um Gewebe und Organe zu schaffen oder zu verändern. Stellen Sie sich vor, Sie erhalten versehentlich zwei Kopien eines Paella-Rezepts. Sie können das Originalrezept behalten und genießen, während die Evolution optimiert.“ die zusätzliche Kopie, damit stattdessen Risotto zubereitet wird.
„Stellen Sie sich nun vor, dass das gesamte Rezeptbuch zweimal kopiert wird und welche Möglichkeiten es für die Evolution eröffnet. Das Erbe dieser Ereignisse, die vor Hunderten von Millionen Jahren stattfanden, lebt heute in den meisten komplexen Tieren weiter“, erklärt Federica Mantica, Autorin Autor des Artikels und Forscher am Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.
Die Autoren der Studie fanden viele Beispiele für neue, gewebespezifische Funktionen, die durch die Spezialisierung dieser Vorfahrengene ermöglicht wurden. Beispielsweise spielten die TESMIN- und Tomb-Gene, die von demselben Vorfahren stammten, unabhängig voneinander eine spezielle Rolle im Hoden sowohl bei Wirbeltieren als auch bei Insekten. Ihre Bedeutung wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Probleme mit diesen Genen die Spermienproduktion stören und die Fruchtbarkeit sowohl bei Mäusen als auch bei Fruchtfliegen beeinträchtigen können.
Die Spezialisierung der Gene der Vorfahren legte auch einige Grundlagen für die Entwicklung komplexer Nervensysteme. Beispielsweise fanden die Forscher bei Wirbeltieren Gene, die für die Bildung von Myelinscheiden um Nervenzellen entscheidend sind, die für eine schnelle Nervensignalübertragung unerlässlich sind. Beim Menschen identifizierten sie außerdem FGF17, von dem angenommen wird, dass es eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung kognitiver Funktionen bis ins hohe Alter spielt.
Bei Insekten spezialisierten sich bestimmte Gene auf die Kutikulabildung in den Muskeln und in der Epidermis und trugen so zu ihrer Flugfähigkeit bei. In der Haut von Kraken haben sich andere Gene auf die Wahrnehmung von Lichtreizen spezialisiert und tragen so zu ihrer Fähigkeit bei, ihre Farbe zu ändern, sich zu tarnen und mit anderen Kraken zu kommunizieren.
Durch die Untersuchung der Artenentwicklung auf Gewebeebene zeigt die Studie, dass Veränderungen in der Art und Weise, wie Gene in verschiedenen Teilen des Körpers genutzt werden, eine große Rolle bei der Schaffung neuer und einzigartiger Merkmale bei Tieren gespielt haben. Mit anderen Worten: Wenn Gene in bestimmten Geweben zu wirken beginnen, kann dies zur Entwicklung neuer körperlicher Merkmale oder Fähigkeiten führen, was letztendlich zur Evolution der Tiere beiträgt.
„Unsere Arbeit bringt uns dazu, die Rollen und Funktionen von Genen neu zu überdenken. Sie zeigt uns, dass Gene, die überlebenswichtig sind und über Millionen von Jahren erhalten geblieben sind, in der Evolution auch sehr leicht neue Funktionen erlangen können.“
„Es spiegelt den Balanceakt der Evolution zwischen der Bewahrung lebenswichtiger Rollen und der Erforschung neuer Wege wider“, schließt ICREA-Forschungsprofessor Manuel Irimia, Co-Autor des Papiers und Forscher am Center for Genomic Regulation.
Mehr Informationen:
Evolution der gewebespezifischen Expression von Ahnengenen bei Wirbeltieren und Insekten, Naturökologie und Evolution (2024). DOI: 10.1038/s41559-024-02398-5