Eine neue Studie der Universität Wien zeigt, dass Seeanemonen einen molekularen Mechanismus nutzen, der auch bei Tieren mit zwei symmetrischen Körperhälften ("Bilateria") zur Ausbildung der Rücken-Bauch-Achse dient. Dieser Mechanismus ("BMP shuttling") erzeugt ein differenziertes Verteilungsmuster von Signalen, das es den Zellen ermöglicht, sich während der Entwicklung räumlich zu organisieren. Die in Science Advances publizierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses System deutlich früher entstanden ist als bisher gedacht – nämlich bereits im letzten gemeinsamen Vorfahren von Nesseltieren und Tieren mit bilateraler Symmetrie.
Die allermeisten Tiere sind bilateralsymmetrisch – ihrem Körper unterliegt ein Bauplan mit Kopf-Schwanz-Achse, Rücken-Bauch-Achse, sowie einer linken und rechten Seite. Dieser Körperbauplan ist charakteristisch für die große Gruppe der Bilateria, welche morphologisch sehr unterschiedliche Tiere wie Wirbeltiere, Insekten, Weichtiere und Würmer umfasst. Im Gegensatz hierzu werden Nesseltiere, wie z.B. Quallen und Seeanemonen, traditionell als radiärsymmetrisch beschrieben, und Quallen sind das auch in der Tat. Allerdings ist die Lage bei Seeanemonen anders: Trotz oberflächlicher Radiärsymmetrie sind die Tiere bilateral symmetrisch – zuerst auf Ebene der Genexpression im Embryo und später auch auf Ebene der Anatomie im erwachsenen Tier. Dies wirft eine fundamentale evolutionsbiologische Frage auf: Ist der bilateralsymmetrische Körperbauplan im gemeinsamen Vorfahren der Bilateria und Nesseltiere entstanden, oder ist er unabhängig in mehreren Tiergruppen evolviert? Forscher*innen der Universität Wien sind dieser Frage nachgegangen, indem sie untersucht haben, ob ein entwicklungsbiologisch entscheidender Mechanismus, genannt "BMP shuttling", auch in Nesseltieren vorliegt.
BMP shuttling in der Embryonalentwicklung
In Bilateria basiert die Rücken-Bauch-Achse auf einem Signalsystem bestehend aus BMPs (bone morphogenetic proteins) und ihrem Inhibitor Chordin. BMPs sind Botenstoffe, welche den embryonalen Zellen vermitteln, wo sie sich befinden und welches Gewebe sie werden sollen. In Bilateria-Embryos bindet Chordin an BMPs und blockiert dadurch deren Signalfunktion in einem Prozess, der als "lokale Inhibition" bezeichnet wird. Gleichzeitig kann Chordin in manchen, aber nicht allen Bilateria-Embryos gebundene BMPs in andere Teile des Embryos transportieren, wo diese dann wieder freigesetzt werden – ein Mechanismus der "BMP shuttling" genannt wird. So evolutionär entfernt verwandte Tiere wie Seeigel, Fliegen und Frösche verwenden BMP shuttling, allerdings war bis jetzt unbekannt, ob sie alle den Shuttling-Mechanismus unabhängig evolviert haben, oder ihn von ihrem letzten Gemeinsamen Vorfahren vor ca. 600 Millionen Jahren geerbt haben. Sowohl lokale Inhibition als auch BMP shuttling erzeugen einen Gradienten der BMP Signalaktivität im Embryo. Die Zellen im Embryo detektieren diesen Gradienten und entwickeln sich, abhängig von der BMP Signalstärke, in unterschiedliche Zelltypen. Beispielsweise bildet sich in Wirbeltieren das zentrale Nervensystem dort, wo die BMP-Signalaktivität am niedrigsten ist, Nieren bilden sich bei mittlerer BMP Signalstärke, und die Haut des Bauches entsteht im Bereich maximaler BMP Signalaktivität. Hierdurch wird die Struktur des Körpers entlang der Rücken-Bauch-Achse festgelegt. Um herauszufinden, ob Chordin-abhängiges BMP shuttling ein evolutionär urtümlicher Mechanismus zur Bildung der Rücken-Bauch-Achse ist, mussten die Forscher*innen bilateralsymmetrische Tiere außerhalb der Gruppe der Bilateria untersuchen – die Seeanemonen.
Eine urzeitliche Blaupause
Um zu testen, ob Seeanemonen Chordin als lokalen Inhibitor oder als Shuttle verwenden, blockierten die Forscher*innen zunächst die Chordin-Produktion in Embryos der Modell-Seeanemone Nematostella vectensis. Anders als in Bilateria, erfordert die BMP Signalübertragung in Nematostella die Anwesenheit von Chordin, sodass ohne Chordin die BMP Signalübertragung ausblieb und die Bildung der zweiten Körperachse scheiterte. Dann wurde Chordin in einen kleinen Teil des Embryos wieder eingeführt, um zu testen, ob dies die Körperachsenbildung wiederherstellt. Daraufhin entstand ein BMP Signalgradient, allerdings blieb unklar, ob Chordin hierfür BMPs einfach lokal blockierte und den Gradient mit Hilfe vorhandener BMP-Quellen entstehen ließ, oder ob es als Shuttle BMPs in entfernte Teile des Embryos transportierte und somit eine aktive Rolle bei der Bildung des Gradienten spielte. Um zwischen diesen zwei Möglichkeiten zu unterscheiden, wurden zwei Versionen von Chordin getestet – ein membrangebundenes und somit unbewegliches Chordin, und ein normal sezerniertes, also diffusionsfähiges Chordin. Wenn Chordin als lokaler Inhibitor fungieren würde, sollten sowohl das membrangebundene, als auch das diffusionsfähige Chordin die BMP Signalübertragung auf der Seite des Embryos gegenüber den Chordin produzierenden Zellen aktivieren. Sollte Chordin aber als Shuttle wirken, müsste es mit BMPs diffundieren können. Die Ergebnisse waren eindeutig: Nur die diffusionsfähige Version von Chordin konnte die BMP Signalübertragung gegenüber der Chordin-Quelle aktivieren, was zeigt, dass Chordin in Seeanemonen als Shuttle fungiert – genau wie in Fliegen und Fröschen.
Eine gemeinsame Strategie seit mehr als 600 Millionen Jahren?
Die Tatsache, dass BMP shuttling sowohl in Nesseltieren als auch in Bilateria zu finden ist, deutet darauf hin, dass dieser molekulare Mechanismus bereits vor ihrer evolutionären Trennung vor 600-700 Millionen Jahren entstanden ist. "Nicht alle Bilateria verwenden Chordin-abhängiges BMP shuttling – Frösche tun es zum Beispiel, Fische aber nicht – aber es scheint immer wieder aufzutauchen, auch bei sehr entfernt verwandten Tieren, was es zu einem guten Kandidaten für den ursprünglichen Mechanismus der Musterbildung macht. Die Tatsache, dass nicht nur Bilateria, sondern auch Seeanemonen BMP shuttling nutzen, um ihre Körperachsen zu bilden, zeigt uns, dass dieser Mechanismus unglaublich alt ist", sagt David Mörsdorf, Erstautor der Studie und Postdoktorand am Department für Neurowissenschaften und Entwicklungsbiologie der Universität Wien. "Es eröffnet spannende Möglichkeiten, neu darüber nachzudenken, wie Körperbaupläne in frühen Tieren entstanden sind."
Grigory Genikhovich, Seniorautor und Gruppenleiter am selben Institut, ergänzt: "Wir werden vielleicht nie die Möglichkeit ausschließen können, dass Bilateria und bilateral symmetrische Nesseltiere ihre bilateralsymmetrischen Körperbaupläne unabhängig voneinander evolviert haben. Doch wenn der letzte gemeinsame Vorfahre von Nesseltieren und Bilateria ein bilateral symmetrisches Tier war, stehen die Chancen gut, dass er Chordin nutzte, um BMPs zu shuttlen und seine Rücken-Bauch-Achse zu bilden. Unsere neue Studie hat das gezeigt."
(Diese Studie wurde durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) gefördert, Grants P32705 and M3291.)
Originalpublikation:
David Mörsdorf, Maria Mandela Prünster, Paul Knabl, Grigory Genikhovich. Chordin-mediated BMP shuttling patterns the secondary body axis in a cnidarian. In Science Advances (2025).