Kieferlose Fischgene erzählen uns von der Evolution des menschlichen Gehirns

Eine neue Studie veröffentlicht in Natur enthüllt, wie die Gene des kieferlosen, aalartigen Parasitenfisches dem Neunauge wichtige Hinweise auf die Evolution des menschlichen Gehirns geben.
Ein Neunauge-Embryo, der das Hox-Gen Hoxb3 (grün) exprimiert. In der Studie fanden Bronner und ihre Kollegen heraus, dass Hox-Gene für die Hinterhirnsegmentierung während der Neunaugenentwicklung wichtig sind.
Bildnachweis: Hugo Parker

Eine der Autoren des Artikels, Marianne Bronner, eine Professorin für Biologie am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, erklärt, dass:

"Neunauge ist eine der primitivsten Wirbeltiere, die heute auf der Erde leben, und indem sie ihre Gene und Entwicklungsmerkmale genau studieren, können Forscher mehr über die evolutionären Ursprünge moderner Wirbeltiere - wie Kieferfische, Frösche und sogar Menschen - erfahren."

Prof. Bronner ist Direktor eines einzigartigen Labors im Beckman Institute von Caltech, das Zebrafische, Neunaugen und Xenopus-Frösche züchtet und untersucht - ideale Themen für das Live-Studium der Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie von Wirbeltieren. Das Labor zieht Wissenschaftler aus der ganzen Welt an.

Die Anlage ist eine der wenigen Orte auf der Welt, an denen Wissenschaftler in Gefangenschaft gefangene Neunaugen beobachten können. Obwohl diese parasitären Fische in den Großen Seen verbreitet sind, sind sie nicht leicht zu erlernen - sie können 10 Jahre lang leben, bevor sie brüten, dann laichen sie im Sommer nur wenige Wochen, bevor sie zugrunde gehen.

Im Labor kann das Caltech-Team die Brutsaison des Neunauges durch Anpassung der Wassertemperatur auf bis zu 2 Monate verlängern. In diesen zusätzlichen Wochen produzieren die Neunaugen Zehntausende zusätzliche Eier und Spermien. Verwenden in vitro Befruchtung, das Team kann Zehntausende von zusätzlichen Embryonen zu studieren.

Wissenschaftler verwenden Neunaugen, um die Ursprünge des Wirbeltierhirns zu untersuchen

Für diese neueste Studie untersuchten Prof. Bronner und ihre Co-Autoren - vom Stowers Institut für medizinische Forschung, Kansas City, MO - die Ursprünge des Wirbeltier-Hinterhirns, des Teils des zentralen Nervensystems, den wir mit allen Chordaten teilen - Organismen, die habe ein Nervenstrang wie unser Rückenmark.

Wirbeltiere - Organismen, die Rückenwirbel haben - sind ein Subtyp von Chordaten, deren Hinterhirn während der Entwicklung zu acht Segmenten wird, jedes mit einem einzigartigen Muster von Gehirnschaltungen und -funktionen.

Zum Beispiel wird ein solches Segment das Kleinhirn, das an der Kontrolle der Bewegung beteiligt ist, und ein anderes Segment wird das Medulla oblongata, das für die Atmung und andere unwillkürliche Funktionen wichtig ist.

Diese Segmentierung des Hinterhirns ist bei wirbellosen Chordaten - Organismen wie Seescheiden und Lanzetten, die keine Wirbelsäule haben - nicht vorhanden.

Das Team war an einer Gruppe von Genen interessiert, die als Hox-Gene bekannt sind und bei Wirbeltieren die Baupläne für den Kopf-Schwanz-Plan des Organismus enthalten und auch die Segmentierung des Hinterhirns steuern. Obwohl sie keine segmentierten Hindbrains haben, haben wirbellose Chordaten auch Hox-Gene.

Das Team entschied sich für das Studium von Neunaugen, da sie eine einzigartige Position im Evolutionsbaum zwischen Invertebraten-Chordaten und den Kiefer-Wirbeltieren einnehmen. Die Untersuchung von Hox-Genen in Neunaugen und die Frage, ob sie an der Musterbildung des Hinterhirns in den intermediären Spezies beteiligt sind oder nicht, könnte Aufschluss darüber geben, wie sich die Merkmale von Wirbeltieren entwickelt haben könnten.

Das Team fand nicht nur heraus, dass das Neunaugen-Hinterhirn während der Entwicklung segmentiert ist, sondern auch, dass Hox-Gene beteiligt sind, genau wie es bei Kiefer-Wirbeltieren der Fall ist. Das überraschte sie, sagt der Erstautor Dr. Hugo Parker vom Stowers Institute, der seit 2008 jeden Sommer im Caltech zugebracht hat, um Neunaugen zu untersuchen. Er erklärt:

"Als wir anfingen, dachten wir, dass die Situation anders sei und dass die Hox-Gene nicht wirklich in den Prozess der Segmentierung integriert sind, wie dies bei Kiefer-Wirbeltieren der Fall ist. Aber in diesem Projekt haben wir die Art und Weise entdeckt, wie Lampex-Hox-Gene exprimiert werden und reguliert ist sehr ähnlich dem, was wir bei Kiefer-Wirbeltieren sehen. "

Dies bedeutet, dass die Segmentierung des Hinterhirns früher in der Evolution erfolgt, als die Wissenschaftler zuvor angenommen hatten, und involviert Hox-Gene, sagt er.

Dr. Parker beabsichtigt, seine Sommer bei Caltech zu verbringen. Er möchte herausfinden, welche anderen Eigenschaften des Neunaugen-Hinterhirns bei heutigen Wirbeltieren noch erhalten sind. Solche Informationen sind der Schlüssel, um Wissenschaftlern zu helfen, die Entwicklung von Wirbeltieren zu verstehen.

Dank anderer Entdeckungen wird das Neunauge auch zunehmend als Modell für das Verständnis von neurologischen Erkrankungen eingesetzt. Im Februar 2013 berichteten Wissenschaftler am Marine Biological Laboratory in Woods Hole, MA, über die Entdeckung mehrerer Neunaugengene, die auch mit neurologischen Erkrankungen des Menschen wie Alzheimer, Parkinson und Rückenmarksverletzungen in Verbindung gebracht werden.

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