Auf der Suche nach dem Ursprung unseres Gehirns

Foto: Hiroshi Watanabe, Thomas Holstein / Nature Communication 5:5536
Macmillan Publishers Limited

Nervensystem in Embryonen von Nematostella vectensis mit verschiedenen Nervenzellpopulationen, wobei die unterschiedlichen Neuronen (hier in grün, blau und magenta) eine Asymmetrie aufweisen.

Auf der Suche nach dem Ursprung unseres Gehirns haben Biologen der Universität Heidelberg neue Erkenntnisse zur Evolution des zentralen Nervensystems (ZNS) mit seiner hoch entwickelten biologischen Struktur gewonnen: Die Forscher analysierten auf molekularer Ebene die Neurogenese beim Modellorganismus Nematostella vectensis. Anhand bestimmter Gene und Signalfaktoren konnte das Team um Prof. Dr. Thomas Holstein vom Centre for Organismal Studies zeigen, wie sich der Beginn der Zentralisierung von Nervenzellen bis zu dem diffusen Nervennetz von einfachen und ursprünglichen niederen Tieren wie der Seeanemone zurückverfolgen lässt. Die Forschungsergebnisse werden in „Nature Communications“ veröffentlicht.

Foto: Timm Nüchter, Thomas Holstein
Nature 433 (Cover)
Macmillan Publishers Limited

Polyp von Nematostella vectensis

Die Seeanemone – Nematostella vectensis – gehört wie Korallen und Medusen zu den Nesseltieren, die mehr als 700 Millionen Jahre alt sind. Sie hat einen simplen sackartigen Körper ohne Skelett und nur eine Körperöffnung. Das Nervensystem dieses ursprünglichen Vielzellers ist als einfaches Nervennetz organisiert, das bereits zu einfachen Verhaltensmustern fähig ist. Die Wissenschaft ist bisher davon ausgegangen, dass dieses Netz keine Zentralisierung – also keine örtliche Verdichtung von Nervenzellen – besitzt. Mit ihren Arbeiten konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass das Nervennetz der Seeanemone in der Embryonalentwicklung durch einen Satz neuronaler Gene und Signalfaktoren gebildet wird, der auch bei Wirbeltieren zu finden ist.

Wie Prof. Holstein erläutert, ist die Entstehung der ersten Nervenzellen abhängig vom sogenannten Wnt-Signalweg, der nach seinem Signalprotein Wnt bezeichnet ist. Er besitzt eine wichtige Funktion für den Vorgang, bei dem sich verschiedene Typen tierischer Zellen geordnet entwickeln. Die Heidelberger Forscher liefern zudem den ersten Hinweis dafür, dass ein weiterer Signalweg in der Neurogenese von Seeanemonen aktiv ist – der BMP-Weg, der bei Wirbeltieren die Zentralisierung der Nervenzellen lenkt.

Benannt nach seinem Signalprotein BMP steuert dieser Signalweg abhängig von der Proteinkonzentration ebenfalls die Entwicklung unterschiedlicher Zelltypen – ähnlich wie der Wnt-Signalweg, aber mit anderer Richtung. Der BMP-Weg wirkt im rechten Winkel zum Wnt-Weg und erzeugt so in dem weitgehend diffusen neuronalen Netz der Seeanemone ein asymmetrisches Muster neuronaler Zelltypen. „Dies kann“, so betont Prof. Holstein, „als der Beginn der Zentralisierung des neuronalen Netzes auf dem Weg hin zu Wirbeltieren mit ihren komplexen Gehirnen verstanden werden.“

Während der Wnt-Signalweg zugleich die Bildung der primären Körperachse aller Tiere – von den Schwämmen bis zu den Wirbeltieren – auslöst, ist der BMP-Signalweg bei höher entwickelten Vertebraten auch an der Ausbildung der sekundären Körperachse (Rücken-Bauch) beteiligt. „Unsere Forschungsergebnisse weisen daher darauf hin, dass es eine enge Parallelität zwischen der Evolution der Körperachsen und der Herausbildung eines zentralen Nervensystems geben muss“, sagt Prof. Holstein.

Originalveröffentlichung:

H. Watanabe, A. Kuhn, M. Fushiki, K. Agata, Y. Kocagöz, S. Özbek, T. Fujisawa & T.W. Holstein: Sequential actions of β-catenin and Bmp pattern the oral nerve net in Nematostella vectensi. Nature Communication 5:5536 (23. Dezember 2014), doi:10.1038/ncomms6536