Wie das Blättern durch ein altes Familienalbum Einblicke in die Vergangenheit gewährt, so ermöglicht die Forschung an den weltweit verbreiteten Manteltieren, insbesondere der Schlauchseescheide (Ciona intestinalis, Ascidien) einen Blick in die evolutionäre Geschichte vor der Entstehung der Wirbeltiere. Die Meerestiere lassen sich vergleichsweise einfach untersuchen und ihre Schwimmlarven weisen bereits Ähnlichkeiten mit den Wirbeltieren auf. So verfügen sie einerseits über einen kräftigen Ruderschwanz in dem ein Chorda-Stützorgan und ein Neuralrohr verläuft, aus dem im Laufe der Evolution die Wirbelsäule entstanden ist. Andererseits verfügen sie über einfache Sinnesorgane am Kopf, die bei den Wirbeltieren hochgradig vervielfacht und verfeinert wurden, zum evolutiven Erfolg als Freßräuber. Die nun im Fachjournal PLOS Biology erschienene Studie liefert wichtige Einblicke in die Entwicklungsbiologie der Kopfsinnesorgane von Manteltierlarven.
Im Zentrum der Untersuchungen stehen die Papillen, mit denen sich die Larven auf dem Untergrund festkleben, um dort eine Metamorphose zu durchlaufen und zu sesshaften Tieren heranzuwachsen. Die Zellen in den Papillen produzieren nicht nur den Klebstoff, sie ermöglichen den Larven auch Sinneswahrnehmungen. „Mit diesen Organen können die Larven fühlen und auch schmecken, indem sie mechanische und chemische Signale wahrnehmen“, erklärt Ute Rothbächer vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck, die gemeinsam mit Alberto Stolfi vom Georgia Institute of Technology die Studie geleitet hat. Die Papillen tragen zudem zur Regulierung der Metamorphose bei.
Sinneszellentwicklung beobachtet
In der Studie wurden nun zum ersten Mal molekulare Marker für mindestens fünf verschiedene Zelltypen in den Papillen der Schwimmlarve von Schlauchseescheiden identifiziert. Dies ermöglicht weitergehende Untersuchungen zur Entwicklung und Funktion dieser Organe. „Hierzu bietet dieser Modellorganismus ideale Voraussetzungen: die Entwicklung verläuft reproduzierbar (invariable Zelllinie) und einfach (mit wenigen und großen Zellen) und basiert auf einem kleinen und kompakten Genom (undupliziert, typisch für Nichtwirbeltiere). Zudem sind unzählige synchrone Entwicklungsstadien über Elektroporation genetisch erreichbar“, erklärt Ute Rothbächer. Das Forschungsteam setzte somit innovative Gen-Editing-Techniken ein, um die Funktionen einzelner Gene in den winzigen Papillen zu entschlüsseln. Damit konnten sie die Rolle der wichtigsten Transkriptionsfaktoren und Signalwege für die Ausbildung der unterschiedlichen Zelltypen in den Papillen bestimmen. Interessanterweise, regeln einige dieser Faktoren auch die Entstehung von Sinneszellen bei Wirbeltieren. Ein wesentlicher Teil der Studie untersuchte auch die Beiträge verschiedener Transkriptionsfaktoren und Zelltypen zur Produktion des Klebstoffs. Diese Ergebnisse von Fan Zeng, Postdoc im Innsbrucker Labor, sind auch wichtig zur Untersuchung des Klebstoffs innerhalb eines laufenden FWF-Projekts (TuniGlue). Außerdem wurde untersucht, welche Rolle diese beim Rückbilden des Schwanzes und der Körperdrehung während der Metamorphose spielen.
Modellorganismus Ciona intestinalis. A: Schwimmlarve mit drei sensorischen Adhäsions-Papillen , B: einzelne Papilla mit Färbung eines Klebezelltyps (grün) und Kleber (rot), C: Adultes, sessiles Manteltier, D: Lebenszyklus vom seßhaften Adulttier, das planktonische Embryos und freischwimmende Larven entwickelt, die mit ihren Kopfsinnesorganen Licht (Ocellus), Schwerkraft (Otolith) und Substrat (Palpen/Papillen) wahrnehmen können.
„Die Studie ist ein wichtiger Schritt zu einem besseren Verständnis der Genregulation und ihrer Auswirkungen auf die Funktion der einzelnen Zelltypen, die den Entwicklungsübergang von beweglichen Larven zum sesshaften Manteltier steuern“, sagt Ute Rothbächer. Damit bietet die Untersuchung auch Einblicke in die Evolution der Gennetzwerke zur Entstehung von Sinnesorganen am Kopf der Wirbeltiere.
Die Forschungsarbeit unterstreicht die Bedeutung von Modellorganismen wie den Manteltieren für die Entschlüsselung der evolutionären Wege, die zu der Vielfalt der heutigen Lebensformen geführt haben.
Publikation: Specification of distinct cell types in a sensory- adhesive organ important for metamorphosis in tunicate larvae. Christopher J. Johnson, Florian Razy-Krajka, Fan Zeng, Katarzyna M. Piekarz, Shweta Biliya, Ute Rothbächer, Alberto Stolfi. PLOS Biology 2024 DOI: 10.1371/journal.pbio.3002555