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Das Genom des Süßwasserpolypen

Das Genom des Süßwasserpolypen Hydra, eines Modellorganismus der Evo-Devo-Forschung, ist unter wesentlicher Beteiligung der Forschergruppe von Prof. Thomas Holstein, Universität Heidelberg, von einem internationalen Konsortium entschlüsselt worden. Die Gensequenzierung wirft Licht auf die frühen Entwicklungslinien und die Entstehung der Komplexität bei den vielzelligen Tieren.

Hydra mit knospendem Jungpolypen © biotechnologie.de

„In nur 20 Jahren ist die Menge der DNA-Sequenzen in unseren Datenbanken um das 40.000-fache gewachsen. Würde man alle heute (2006) bekannten DNA-Texte in Bücher drucken und diese übereinanderstapeln, wäre der Turm doppelt so hoch wie der 110-stöckige Sears Tower in Chicago. Und die Bibliothek des Lebendigen wächst jedes Jahr um weitere 30 Stockwerke" (cit. Sean B. Carroll: Die Darwin-DNA, S. Fischer 2008, p. 13).

Die technologischen Fortschritte der Molekularbiologie, vor allem die DNA-Sequenzierungen, haben Informationen über das Evolutionsgeschehen zutage gefördert, von denen frühere Forschergenerationen nicht einmal zu träumen gewagt hätten. Unser Wissen über Abstammung und Verwandtschaft der Organismen hat sich durch die in DNA aufgezeichneten Spuren der Evolution radikal verändert, und dieses Wissen nimmt explosionsartig zu. Heute sind es nicht mehr nur dem Menschen nahe stehende Tiere und Pflanzen einschließlich seiner Lieblingsmodelle - von E. coli bis zur Maus - deren DNA sequenziert wird, sondern auch Lebewesen, bei denen die treibenden Motivationen (zumindest anfänglich) Neugierde und Wissensdrang sind.

Konsortium aus zwanzig Forschergruppen

Prof. Dr. Thomas W. Holstein, Direktor, Institut für Zoologie, Universität Heidelberg © Universität Heidelberg

Jetzt wurde die Genomsequenz des Süßwasserpolypen Hydra magnipapillata, eines der einfachsten vielzelligen Tiere (Metazoa), publiziert. Trotz seiner vorgeblichen Primitivität besitzt Hydra ein großes, komplexes Genom von 1,0 bis 1,5 Milliarden Basenpaaren und etwa 20.000 Protein kodierenden Genen. Das ist etwa die gleiche Zahl an Genen wie beim Wurm Caenorhabditis elegans und wesentlich mehr als bei Drosophila, aber auch nicht viel weniger als bei so hoch entwickelten Organismen wie Mensch, Maus, Kugelfisch (Tetraodon nigroviridis) und Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Wie bei derartigen Projekten üblich, war die Entschlüsselung des Hydra-Genoms das Gemeinschaftswerk eines großen internationalen Konsortiums; die Originalpublikation nennt 74 Autoren in zwanzig Forscherteams aus USA, Deutschland, Japan und Österreich. Die Finanzierung hatten die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die amerikanische National Science Foundation und das National Human Genome Research Institute, das japanische National Institute of Genetics und der österreichische Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung bestritten. Wesentliche Teile der  Arbeiten wurden durch die Arbeitsgruppe von Professor Dr. Thomas Holstein, Abteilung für Molekulare Evolution und Genomik, Institut für Zoologie der Universität Heidelberg, geleistet.  

Hydra als Evo-Devo-Modell

Abraham Trembley, Naturforscher, Philosoph, Diplomat, geb. 1710 in Genf und dort 1784 gestorben © Russische Akademie der Wissenschaften

Holstein hat sich seit langem mit Hydra als einem Schlüsselmodell der Erforschung der Evolution von Entwicklungsprozessen der Organismen beschäftigt. Diese neue Forschungsrichtung - meist kurz als „Evo-Devo" nach dem englischen „evolutionary developmental biology" bezeichnet - hat uns fundamentale neue Erkenntnisse über die Entstehung der komplexen biologischen Strukturen und Stoffwechselwege gebracht. Wer sich für die Geschichte der Naturwissenschaften interessiert, für den ist die Wahl von Hydra als Modellorganismus nicht ungewöhnlich. Seit Antoni van Leeuwenhoek das unscheinbare Tierchen vor mehr als 300 Jahren erstmalig beschrieben hat, das im Wasser kaum zu erkennen ist, wenn es an Pflanzen angeheftet mit seinen 6-8 Tentakeln Wasserflöhe und andere Kleinorganismen fängt, verdankt die Biologie dem Süßwasserpolypen wichtige Entdeckungen. Zwischen 1740 und 1745 beschrieb der Schweizer Naturforscher Abraham Trembley an ihm erstmals asexuelle Fortpflanzung bei Tieren durch Knospung, zeigte in systematischen, bewundernswerten Experimenten die Regeneration eines Tieres aus einzelnen Gewebeteilen, beobachtete die Phototaxis bei einem augenlosen Organismus  und führte die erste erfolgreiche Gewebetransplantation zwischen Tieren durch. Heute ist Hydra ein wichtiges Modell für Stammzellbiologie und Regeneration, Embryonalentwicklung (eine „Art permanenter Embryo" nach Meinung des amerikanischen Alternsforscher R.J. Davenport) und die Differenzierung der Körperachsen.

Zur Evolution der Gewebetiere

Hydra gehört mit 2.700-3.000 anderen, hauptsächlich marinen Arten zur Klasse der Hydrozoa im Stamm Cnidaria oder Nesseltiere, zu dem als weitere Klassen die Scyphozoa (die meisten Quallen) und die Anthozoa oder Blumentiere (Seeanemonen und die meisten Korallen) gehören. Die Cnidaria sind radialsymmetrisch aufgebaut; man betrachtet sie (evtl. zusammen mit dem Stamm der Ctenophora oder Rippenquallen) als phylogenetische Schwestergruppe der bilateralsymmetrisch (spiegelbildlich) aufgebauten Bilateria, zu denen alle anderen echten vielzelligen Tiere, einschließlich von uns selbst, gehören. Der gemeinsame Vorfahre, von dem sich Cnidaria und Bilateria aufspalteten, lebte nach den DNA-Analysen vor vielleicht 700 Millionen Jahren. Aber das sind grobe Schätzungen; Fossilien geben darüber keine Auskunft. Die ältesten Funde, die man (nicht unumstritten) als Cnidaria identifiziert, stammen aus der Ediacara-Fauna des obersten Präkambriums (vor etwa 600-545 Millionen Jahren).

Vermutlich waren die ersten Tiere mit echten Geweben (sogenannte Eumetazoa) den heute lebenden Nesseltieren wie zum Beispiel Hydra in ihrem Bauplan recht ähnlich. Die Vielzelligkeit der Tiere ist wahrscheinlich durch den Verlust von starren Zellwänden, wie sie bei Pflanzen und Pilzen vorkommen, ermöglicht worden. Dadurch konnten Zellkontakte geknüpft werden, Zelladhäsion und Kommunikation zwischen den Zellen wurde möglich. Aus losen Zellschichten entstanden feste strukturierte Epithelien. Die frühen Eumetazoa waren vermutlich wie die heutigen Cnidaria diploblastisch, das heißt aus nur zwei Epithelschichten aufgebaut: einer äußeren und einer inneren, die den blind endenden Darm umkleidet. Die beiden Epithelien grenzen einen Zwischenraum ab, in den extrazelluläre Stützsubstanzen abgesondert werden. In diese gallertartige Matrix, die bei vielen Cnidaria, vor allem den Quallen, sehr umfangreich ist, können auch Zellen einwandern, die aber keine Gewebe bilden. Bei den triploblastischen Bilateria hingegen spaltete sich zwischen diesen Epithelien eine weitere epitheliale Zellschicht ab, aus der sich später die meisten inneren Organe differenzierten.

Die Seeanemone Nematostella vectensis © Nature 2005

Das Genom von Hydra ist auch deswegen besonders interessant, weil es Informationen über das genetische Repertoire liefert, das zur Grundausstattung aller höheren Tiere gehört. Ein Glücksfall ist es, dass zum Vergleich bereits Sequenzen für einen anderen Vertreter der Cnidaria, die Seeanemone Nematostella vectensis, vorliegen. An ihr hatten Holstein und Mitarbeiter bereits 2005 gezeigt, dass die Wnt-Genfamilie (die sekretorische Signalproteine kodiert, welche die Zelldifferenzierung und Embryogenese kontrollieren und auch bei der Bildung von Tumoren eine Rolle spielen) in der gleichen Komplexität vorliegt wie bei Wirbeltieren, einschließlich des Menschen. Diese Befunde waren völlig überraschend, da so gut untersuchte Tiere wie Drosophila und Caenorhabditis ein viel einfacheres Wnt-Muster aufweisen und man selbstverständlich angenommen hatte, dass die vermeintlich so viel primitiveren Cnidaria auch auf dieser genetischen Ebene einfacher konstruiert sein müssten.

Plädoyer gegen Primitivität

Daraus sollte man nicht folgern, dass uns Hydra und Verwandte in der Evolution näher stehen als Fliege und Wurm. Der letzte gemeinsame Vorfahre von Nesseltieren und Menschen ist ebenso der letzte gemeinsame Vorfahre aller Bilateria, jedoch ist in der zu den Protostomia (zu denen Drosophila und C. elegans gehören) führenden Abstammungslinie die Komplexität des Wnt-Genmusters reduziert worden. Die Cnidaria haben für ihre Evolution ebenso lange Zeit gehabt wie wir, und sie sind nicht nur primitiv. Sie haben zwar den einfachen Bauplan der frühen Metazoen aus dem Präkambrium konserviert, aber sich auf anderen Gebieten hochgradig differenziert. Mit ihren harpunenartigen Nesselkapseln (Cnidae), die dem Stamm den Namen verliehen haben, besitzen die Cnidaria, und nur sie, den wahrscheinlich kompliziertesten intrazellulären biomechanischen Apparat in der ganzen Welt der Organismen. Einige Arten wie die tropischen Würfelquallen oder die Sherlock-Holmes-Liebhabern bekannte Cynea capillata produzieren das wirksamste und gefährlichste im Tierreich bekannte Gift. Unsere Modelltiere Hydra und Nematostella sind für uns glücklicherweise harmlos. Nach Ansicht des großen Biologen Edward O. Wilson haben einige Cnidaria (die Siphonophoren) neben den sozialen Insekten und dem Menschen die am höchsten differenzierte arbeitsteilige „Staatsform“ entwickelt, während die so einfach gebauten Korallenpolypen mit dem Aufbau ihrer Riffe die Landkarte der Erde wohl stärker verändert haben als jeder andere Organismus.

Die Analyse des Hydra-Genoms zeigt, dass auf der Ebene dieser einfachen Mehrzeller viele molekulare Schalter ausgebildet sind, die zur Differenzierung höherer Organismen nötig sind. Der Vergleich mit den Genomen anderer Tiere wirft ein Licht auf die Evolution von Epithelien, Nerven- und kontraktilen Geweben, die Entstehung der neuromuskulären Zell-Zell-Verbindung („junction“), der Zellkommunikation mit Rezeptoren und Signalproteinen sowie den Transkriptionsfaktoren, welche die Embryonal- und Individualentwicklung steuern.

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Die vier Basen liegen in der DNA-Doppelhelix immer als Paare vor. Aufgrund der chemischen Struktur ist eine Paarbildung nur zwischen A und T (DNA) bzw. A und U (RNA) sowie C und G möglich. A und T (U) sowie C und G werden deshalb auch als komplementär bezeichnet.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Caenorhabditis elegans ist ein Fadenwurm, einer der populärsten Modellorganismen der Entwicklungsbiologie Als erster vielzelliger Organismus wurde sein aus sechs Chromosomen bestehendes Genom bis 1998 vollständig sequenziert. C. elegans hat im ausgewachsenen Zustand immer genau 959 Zellen. Er besitzt eine kurze Generationszeit von drei Tagen und ist einfach in hoher Dichte zu halten.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Mit einem Gentest können durch die Analyse der DNA Rückschlüsse auf verschiedene Merkmale eines Individuums gezogen werden. Ein Gentest kann zur Aufklärung medizinisch-diagnostischer Fragen wie der genetischen Ursache einer Krankheit oder der Untersuchung von Krankheitsanfälligkeiten dienen. DNA-Analysen werden auch durchgeführt, um einen sogenannten Genetischen Fingerabdruck zu erstellen, mit dem Identitäts- und Verwandtschaftsfragen geklärt werden können.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Unter Zelladhäsion versteht man die Anhaftung von Zellen aneinander oder an einer extrazellulären Matrix.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.
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