Einfach komplex – Die Entstehung unserer Körperachsen

Bild: Melanie Mikosch/Thomas Holstein, COS Heidelberg

Die experimentelle Biologie hat der Entdeckung des Süßwasserpolypen Hydra vor über 300 Jahren eine Menge zu verdanken. Hydra wurde das erste Mal 1702 von Antoni van Leeuwenhoek beschrieben. 1744 publizierte dann Abraham Trembley eine Reihe bemerkenswerter Experimente mit Hydra, die ersten, die Regeneration, Gewebe­trans­plan­tation und asexuelle Reproduktion in Tieren zeigten. Das Foto zeigt einen knospenden Polypen der Art Hydra magnipapillata.

Der Süßwasserpolyp Hydra, der zu den mehr als 600 Millionen Jahre alten Nesseltieren gehört, ist berühmt für seine nahezu unbegrenzte Regene­rations­fähigkeit und daher ein Modell der molekularen Stammzell- und Regenerationsforschung. Dieser einfache und radiär symmetrisch gebaute Polyp kann auch helfen zu verstehen, wie unsere Körperachsen in der Evolution entstanden sind. Das zeigen For­schun­gen von Wissen­schaft­lern aus Hei­del­berg und Wien zur Bildung neuer Polypen in der asexuellen Vermehrung von Hydra, deren Ergebnisse jetzt in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurden. Beteiligt waren an dem Projekt eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Thomas Holstein und Privatdozent Dr. Suat Özbek am Centre for Organismal Studies (COS) der Universität Heidelberg sowie Dr. Heiko Schmidt vom CIBIV (Center for Integrative Bioinformatics Vienna) der Max F. Perutz Laboratories (MFPL) der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien. Die Heidelberger Forscher haben den Vermehrungsprozess, bei dem seitlich am Muttertier Knospen neuer Tochterpolypen entstehen, molekular aufgeklärt: Sie fanden heraus, dass dabei ein Signalweg eingesetzt wird, der bei höheren Tieren die Links-Rechts-Asymmetrie unserer Organe einleitet. Die Vorgänge, die sich dabei auf molekularer Ebene abspielen, sind frappant ähnlich zu denen bei der Entstehung der Körperachsen in frühen Embryonen von Wirbeltieren.

Eine der zentralen Fragen der Biologie ist: Was macht den Grundtypus des tierischen Bauplans aus und wie haben sich daraus alle komplexeren Formen entwickelt, einschließlich der des Menschen? Im einfachsten Fall lässt sich dieser Körperbauplan durch die drei Raumachsen beschreiben, so wie sie in einem kartesischen Koordinatensystem definiert sind. Bei diesen drei Körperachsen – sie entsprechen den aus der Geometrie bekannten X-, Y- und Z-Achsen – handelt es sich um die Anterior-Posterior-Achse (AP), welche die Position eines vorderen Mundes und hinteren Afters bestimmt, die Dorsal-Ventral-Achse (DV), mit dem bei Wirbeltieren oben gelegenen Rücken und unteren Bauch, sowie um die Links-Rechts-Achse (LR) mit der spiegelbildlich symmetrischen Anlage unserer Extremitäten und der Links-Rechts-Asymmetrie der Organe.

Diese drei Körperachsen werden früh in der Embryonalentwicklung festgelegt. Wenn aus einer befruchteten und dann sich fortlaufend teilenden Eizelle zunächst ein kugelförmiger „Haufen“ undifferenzierter Zellen entsteht, wird beim frühen Embryo zuerst jene Position bestimmt, an der die erste Körperöffnung entsteht, welche zugleich die AP-Achse definiert. „Dieser Prozess lässt sich geometrisch als Symmetriebruch beschreiben, und ihm folgen weitere Symmetriebrüche, die zur Festlegung der zwei anderen Achsen führen, der DV- und LR-Achse“, erläutert Prof. Holstein vom Center for Organismal Studies (COS). Die genetische Basis für jede dieser Körperachsen wurde in der Embryonalentwicklung des Menschen, anderer Wirbeltiere, aber auch von Insekten und Würmern bereits identifiziert. Es sind evolutiv hoch konservierte molekulare Signalsysteme, die als „molekulare Vektoren“ jeweils eine Körperachse definieren und die Entstehung verschiedener Zelltypen steuern. Viele dieser sogenannten Entwicklungsgene spielen nicht zuletzt auch bei der Krebsentstehung eine große Rolle.

Bei ihren molekularen Analysen von Stammzellen und Wnt-Proteinen beim Süßwasserpolypen Hydra, der nur eine einzelne klar definierte Körperachse mit einer Körperöffnung besitzt, haben die Forscher nun den sogenannten Nodal-Signalweg in diesem evolutionär ursprünglichen System identifiziert. „Bisher war dieser Signalweg nur aus bilateral symmetrischen Tieren bekannt, wo er an der Etablierung eines Signalzentrums der frühen Embryonalentwicklung und der Links-Rechts-Asymmetrie beteiligt ist. Mit verschiedenen pharmakologischen und genetischen Experimenten konnte unsere Gruppe nun zeigen, dass auch in Hydra ein Nodal-artiges Gen zusammen mit zentralen Ziel-Genen des aktivierten Nodal-Signalwegs an der asymmetrischen Anlage der Knospen von Hydra beteiligt ist“, erklärt Dr. Hiroshi Watanabe aus der Gruppe von Prof. Holstein. Die Knospen lösen sich bei Hydra vom Muttertier, bei den ebenfalls zu den Nesseltieren gehörenden Korallen bleiben sie mit dem Muttertier verbunden und bilden komplex verzweigte Kolonien. Der Nodal-Signalweg wird von Komponenten des „primären“ Signalwegs aktiviert, der für die Anterior-Posterior-Achse verantwortlich ist (Wnt-Signalweg). Der Nodal-Signalweg steuert bei bilateralsymmetrischen Tieren (z.B. Wirbeltieren) die Etablierung der Links-Rechts-Körperachse.

Die Arbeiten der Heidelberger Forscher zeigen zum ersten Mal die Existenz und Beteiligung des Nodal-Signalwegs bei der Achseninduktion in einem „radiär“ symmetrischen Organismus. „Wir gehen davon aus, dass dies ein Startpunkt in der Evolution für die Links-Rechts-Achsenbildung in den bilateral symmetrischen Tieren war. Zu identifizieren, auf welche Weise sich daraus evolutionär der komplexe Bauplan der Bilateria entwickelt hat, eröffnet weitere spannende Forschungsfragen“, erklärt Prof. Holstein. Die Arbeiten zeigen aber schon jetzt, wie ähnlich auf molekularer Ebene die Kernprozesse in der Embryonalentwicklung zwischen den einfachen Nesseltieren und den Wirbeltieren einschließlich des Menschen sind.

Originalveröffentlichung:
Hiroshi Watanabe, Heiko A. Schmidt, Anne Kuhn, Stefanie K. Höger, Yigit Kocagöz, Nico Laumann-Lipp, Suat Özbek & Thomas W. Holstein: „Nodal signalling determines biradial asymmetry in Hydra“. Nature online (24 August 2014), doi:10.1038/nature13666