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Auch Seeanemonen können erröten

Wegweisende Forschung zur Entwicklung von Muskelzellen

Querschnitt durch die Rückziehmuskulatur (rot) in einer erwachsenen transgenen Seeanemone, die das rot fluoreszierende Protein in den Muskelzellen exprimiert. Die Zellkerne sind blau markiert. © Universität Wien

Nesseltiere wie Seeanemonen gehören zu den ersten Lebewesen überhaupt, die Muskeln entwickelt haben. Wiener Wissenschaftler haben nun untersucht, ob diese einfachen Organismen bereits die molekularen Anlagen für die Entstehung der viel komplexeren Muskulatur von Wirbeltieren in sich tragen. Dabei gelang es den Forschern zum ersten Mal, transgene Seeanemonen zu züchten – Seeanemonen, deren Muskelzellen buchstäblich rot werden.

Über die Ergebnisse der neuen Studie berichten die Wissenschaftler um Ulrich Technau von der Universität Wien in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).

Wenn man die Muskeln der transgenen Seeanemonen, die Technau und sein Team gezüchtet haben, unter fluoreszierendem Licht beobachtet, dann werden sie rot. Aber nicht aus Scham: Die Evolutionsbiologen haben den Nesseltieren, deren Ursprung vor etwa 600 Millionen Jahren liegt, ein Markierungsgen eingebaut, das rot fluoreszierende Proteine produziert.

Dem roten Markierungsgen wurde die DNA-Kontrollsequenz des Myosin Heavy Chain-Gens, das maßgeblich an der Muskelkontraktion beteiligt ist, vorgeschaltet. Da diese Kontrollsequenz nur in ausgebildeten Muskelzellen aktiviert wird, leuchten im Organismus auch nur diese Muskelzellen rot.

In-Vivo-Analyse von fluoreszierenden Muskeln

Die erfolgreiche Zucht von transgenen Seeanemonen ist nach Angaben der Forscher ein wichtiger Schritt auf dem Weg, die Evolution der Muskelzellen und deren embryonale Vorläufergewebe besser zu verstehen. „Bei der Embryonalentwicklung von Wirbeltieren und den allermeisten wirbellosen Tieren gehen die Muskelzellen aus dem dritten Keimblatt, dem so genannten Mesoderm hervor. Nesseltiere besitzen aber noch gar kein Mesoderm“, erklärt Technau: „Dieses dritte Keimblatt hat sich erst später während der Evolution der höheren Tiere entwickelt.“

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Um herauszufinden, ob die Muskelzellen von Mensch und Seeanemone neben dem Muskelgen noch andere molekularen Gemeinsamkeiten haben – und damit, ob die einfachen Seeanemonen bereits vor 600 Millionen Jahren die evolutionäre Grundlage für die Entwicklung des Mesoderms in sich trugen -, kombinierten die Forscher die Kontrollsequenz des Myosin Heavy Chain-Gens mit dem fluoreszenten Protein.

So sieht eine transgene, lebende Seeanemone aus, die das rot fluoreszierende Protein in ihren acht Rückziehmuskeln produziert - unter der Kontrolle des Muskelgens Myosin Heavy Chain. © Universität Wien

Muskelzellen leuchten rot

Mit Erfolg: „Nun leuchten die Muskelzellen der transgenen Tiere rot, und wir können ihren Aufbau und die Kontraktion in vivo, also beim lebenden Tier, verfolgen“, erklärt Technau: „Das erlaubt es uns nicht nur, die embryonale Bildung und Physiologie der Muskelzellen zu studieren, sondern auch, die genetische Kontrolle des Muskelgens Myosin Heavy Chain zu analysieren. Die Analyse könnte Auskunft darüber geben, ob die molekularen Faktoren der Muskelzellentwicklung bei Nesseltieren und viel komplexeren Tieren ähnlich sind.“

Technau und sein Team experimentieren bereits mit weiteren Farben: „Durch Kreuzungen ist es uns gelungen, doppelt und dreifach transgene Seeanemonenlinien zu züchten, deren Zellen je nach Typ grün, blau oder orange leuchten.“

Ulrich Technau © privat

„Gene fallen nicht vom Himmel“

Da Seeanemonen ein sehr plastisches Nervensystem haben, soll es dadurch in Zukunft möglich sein, direkt unter dem Mikroskop zu beobachten, wie die Tiere neuromuskuläre Verbindungen aufbauen und steuern. Damit wollen die Forscher unter anderem ihre Vermutung bestätigen, dass der evolutionäre Sprung von zwei zu drei Keimblättern seinen Ausgang bereits vor über 600 Millionen Jahren genommen hat – und auf molekularer Ebene vielleicht gar kein so großer Sprung war.

„Gene fallen nicht vom Himmel“, sagt Technau: „Bereits kleinste Veränderungen in der Interaktion zwischen zwei Genen können auf morphologischer Ebene zu großen Veränderungen führen. Das erlaubt uns ein ganz neues Verständnis davon, wie Neuheiten in der Evolution entstehen.“

(idw – Universität Wien, 16.12.2009 – DLO)

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