Der evolutionäre Ursprung von Darm und Muskeln#

Wie sind Darm, Haut und Muskulatur während der Evolution der Tiere entstanden? Diese Frage beschäftigt WissenschafterInnen seit über 100 Jahren. Die Entwicklungsbiologen Ulrich Technau und Patrick Steinmetz von der Universität Wien stellen durch ihre Arbeiten an Seeanemonen die 150 Jahre alte "Keimblatt-Theorie" in Frage: Sie fanden heraus, dass Darm bildende Drüsenzellen nicht aus dem Entoderm, sondern aus eingestülptem Ektoderm entstehen. Damit werfen sie ein grundlegend neues Licht auf die Evolution von Darm und Muskelgewebe. Die Ergebnisse erscheinen in "Nature Ecology & Evolution".#

Frühes Embryonalstadium (Gastrula) der Seeanemone Nematostella vectensis. Während der Gastrulation werden bei allen Tieren zwei (bei der Seeanemone sowie anderen ganz alten tierischen Linien) oder drei Keimblätter (fast alle Tierarten und der Mensch) durch Einstülpungs- oder Einwanderungsprozesse angelegt. Aus diesen Keimblättern, also Zellschichten, entstehen im weiteren Verlauf der Entwicklung dann alle weiteren Gewebe
Foto: Sabrina Kaul-Strehlow, Patrick Steinmetz

Menschliche und tierische Körper bestehen aus einer Vielzahl von Geweben und Organen, wie z.B. Darm, Haut, Nervensystem und Muskulatur. Interessanterweise leiten sich all diese Gewebe jeweils von einem der drei "Keimblätter" ab, die ganz früh in der Embryonalentwicklung durch Einstülpungsprozesse angelegt werden. Gemäß der "Keimblatttheorie" entstehen Haut und Nervensystem aus dem außenliegenden Ektoderm, der Darm und interne Organe wie Bauchspeicheldrüse gehen aus dem innen liegenden Entoderm hervor, während Muskulatur und Keimdrüsen aus dem mittleren Keimblatt, dem Mesoderm, entstehen.

Während fast alle komplexeren Tiere (Säuger, aber auch Insekten oder Würmer) und Menschen aus diesen drei Keimblättern aufgebaut sind, scheinen ihre Vorfahren nur zweischichtig gewesen zu sein: Einige sehr alte tierische Gruppen wie die Nesseltiere (Cnidaria wie beispielsweise Korallen, Seeanemonen und Quallen), die sich vor bereits 600 Millionen Jahren gebildet haben, bestehen nur aus zwei Zellschichten. Die Evolution des Mesoderms als drittem Keimblatt war wohl eine der "Schlüsselerfindungen" in der Evolution komplexer Tiere.

Die Wissenschaft ging bislang davon aus, dass das innere, Darm-bildende Keimblatt von Nesseltieren und anderen Tieren auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeht, also homolog ist. Ulrich Technau und sein Team vom Department für Molekulare Evolution und Entwicklung hat nun eine fundamental neue Sicht auf die Evolution der Keimblätter gewonnen. Sie untersuchten den embryonalen Ursprung jener Zellen, die Verdauungsenzyme bilden und konnten zeigen, dass diese Zellen nicht aus dem Entoderm, sondern aus einem Teil des eingestülpten Ektoderms, des Schlundes, entstehen. "Ich war verblüfft, dass das eigentliche Entoderm entgegen der allgemeinen Lehrmeinung keinerlei Verdauungszellen enthielt", erklärt Erstautor Patrick Steinmetz, seit kurzem Gruppenleiter an der Universität Bergen in Norwegen.

"Diese Resultate legen nahe, dass das Entoderm der höheren Tiere nicht evolutionär mit der inneren Zellschicht der Seeanemone verwandt ist, sondern vielmehr vermutlich aus dem Schlund-Ektoderm hervorgegangen ist", fügt Ulrich Technau hinzu. Das Entoderm der Seeanemone hingegen weist starke molekulare und zelluläre Ähnlichkeiten mit dem Mesoderm der höheren Tiere auf: Beide aktivieren eine große Zahl von homologen regulatorischen Genen und beide bilden Gewebe wie Muskeln und Keimdrüsen. Die Seeanemone verfügt also bereits über ein Mesoderm-ähnliches Keimblatt, das sich aber nicht in der Zwischenschicht zwischen Entoderm und Ektoderm befindet wie bei anderen Tieren.

Für den Übergang von der Zweischichtigkeit zur Dreischichtigkeit war daher offensichtlich eine neue Lokalisation und nicht eine Neuerfindung des Mesoderms das Schlüsselereignis in der Evolution.

Publikation in Nature Ecology & Evolution:
Steinmetz, P.R.H., Aman, A., Kraus, J.E.M., Technau, U. Gut-like ectodermal tissue in a sea anemone challenges germ layer homology. Nature Ecology & Evolution
DOI: 10.1038/s41559-017-0285-5.

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