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Fadenwürmer im Wandel der Zeit

Sie sind ein dankbares Untersuchungsobjekt und ein gutes Modell, um grundlegende Prinzipien der Evolution zu erforschen. Mit Fadenwürmern der Gattungen Caenorhabditis und Pristionchus werden am Tübinger Max-Planck-Institut (MPI) für Entwicklungsbiologie molekulare Grundlagen der Biodiversität studiert.

Er hat dem Tier seinen Art-Namen gegeben: Der Tübinger MPI-Direktor Prof. Dr. Ralf Sommer war Postdoc am Caltech, dem Californian Institute of Technology, als er den Fadenwurm Pristionchus pacificus 1996 erstmalig beschrieb. Der Wurm erwies sich als Glücksgriff für die Forschung, für die genetische und molekulare Analyse der Evolution von Entwicklungsprozessen. Der Klassiker unter den im Labor untersuchten Fadenwürmern (Nematoden) war seither Caenorhabditis elegans. Er ist als Untersuchungsobjekt so beliebt, weil jedes Individuum aus nur 959 Zellen besteht, deren Entwicklung stets gleich abläuft und mikroskopisch gut verfolgt werden kann. „Es stellte sich heraus, dass sich P. pacificus entwicklungsbiologisch stark von C. elegans unterscheidet, das macht die beiden zu guten Kandidaten für vergleichende Analysen“, sagt Sommer.
Mikroskopische Aufnahme des Fadenwurms Pristionchus pacificus.
Ein faszinierender Organismus: Pristionchus pacificus wurde erstmals Mitte der 90er Jahre von Ralf Sommer beschrieben.  (© Prof. Dr. Ralf Sommer, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie)
Hinzu kommt, dass sich P. pacificus im Labor ebenso gut handhaben lässt wie C. elegans. Er hat einen relativ kurzen Lebenszyklus von drei Tagen und lässt sich bei 20 Grad Celsius in Petrischalen mit E. coli als Futterbakterium züchten. Das allein ist aber nicht ausschlaggebend, wie Sommer betont: „Viele Nematoden lassen sich leicht halten, bei Pristionchus haben wir den besonderen Vorteil, dass die Kulturen reproduzierbar große Mengen an Proteinen und Nukleinsäuren für die Biochemie und die Genomik liefern. Bis heute kennen wir nur wenige andere Fadenwürmer, bei denen das der Fall ist.“

Vergleichende Untersuchungen als Schlüssel zum Verständnis

Den letzten gemeinsamen Vorfahren hatten C. elegans und P. pacificus vor etwa 200 bis 300 Millionen Jahren. Die spannende Frage ist, wie die Würmer seitdem entwicklungsbiologisch evoluiert sind und welche Mechanismen hinter der Diversifizierung stecken. Sommer startete seine vergleichenden Untersuchungen mit dem Eiablage-Apparat, der Vulva. Er fand bei beiden Arten homologe Strukturen, die aber durch unterschiedliche molekulare Entwicklungsprozesse entstehen. So wird die Vulva-Bildung bei C. elegans durch Signale einer einzigen spezialisierten Zelle, der Ankerzelle, induziert, während bei P. pacificus noch weitere Zellen und Signalwege an der Induktion beteiligt sind.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Caenorhabditis elegans und Pristionchus pacificus.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Caenorhabditis elegans und Pristionchus pacificus.  (© Prof. Dr. Ralf Sommer, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie)
In einem frühen Entwicklungsstadium entstehen bei C. elegans sechs Zellen, die in der Lage sind, die Vulva zu bilden. Gebraucht werden aber nur drei. Auf das Signal der Ankerzelle hin beginnen sie sich zu teilen und differenzieren zu Vulvagewebe. Die anderen drei Vulva-Vorläuferzellen sitzen quasi auf der Reservebank. Sie springen ein, wenn die ersten drei ausfallen, weil sie zum Beispiel experimentell entfernt wurden. P. pacificus verfügt nicht über den Luxus einer solchen Reservebank. Durch programmierten Zelltod wird hier schon früh in der Entwicklung die Zahl der Vulvabildungszellen auf drei reduziert. Sommer und sein Team machten sich auf die Suche nach Genen, die für diesen Zelltod verantwortlich sind und fanden Ppa-hairy.

Der Eiablageapparat als Modellorgan

„Dieses Gen hatte niemand auf der Rechnung, damals wussten wir noch nicht, dass es in P. pacificus viele Gene gibt, die C. elegans nicht hat. Heute wissen wir: Das ist die Regel“, sagt Sommer. Nach und nach offenbarten vergleichende Analysen die gesamte Bandbreite: Es gibt bei beiden Arten homologe Gene, solche, die komplett unterschiedlich sind und solche, die sich in der Funktion überlappen. Ein Vergleich der Expressionsmuster, die jeweils die Gesamtmenge an Genprodukten widerspiegeln, müsse ziemlich unterschiedliche Bilder liefern, mutmaßten die Forscher. Doch überraschenderweise sind die Expressionsmuster der beiden Nematoden sehr ähnlich.

Das zu erklären ist nicht einfach, wie Sommer einräumt, aber er hat bereits einen Ansatz: „Der Schlüssel ist die Redundanz. In beiden Arten sind die Pathways, also die molekularen Signalketten, voller Redundanzen. Seit langem wird spekuliert, dass Redundanzen die Evolution treiben.“ Der Trick dabei: Einerseits können unterschiedliche Gene beziehungsweise Signalketten funktionsredundant sein, also zum gleichen Ergebnis führen. Andererseits können gleiche Signalketten unterschiedliche, sogar entgegengesetzte Wirkung haben. So kann eine Signalkette in C. elegans die Vulvabildung fördern, sie jedoch bei P. pacificus hemmen. Sommer geht nun der Frage nach, wie konserviert die Signalketten tatsächlich sind. Und wenn sie hoch konserviert sind, wie entsteht dann die biologische Formenvielfalt? Sind Selektionsmechanismen für die Biodiversität verantwortlich oder ist es der Zufall?
Mikroskopische Aufnahme des Eiablageapparates eines Fadenwurms. Farbig markiert sind bestimmte Zellen, die für die Entwicklung des Eiablageapparates wichtig sind.
Die Entwicklung des Eiablageapparates, der Vulva, gibt bei Fadenwürmern Einblick in wichtige entwicklungsbiologische Abläufe. Die Vorläuferzellen (rot und blau) der Vulva bekommen ein Induktionssignal von Zellen des Geschlechtsapparates, beginnen sich daraufhin zu teilen und zu Vulvagewebe zu differenzieren. (© Prof. Dr. Ralf Sommer, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie)

Evolutionäre Prozesse sind von Redundanzen begleitet

Mit der Arbeit an diesen zentralen Fragen der Evolutionsbiologie begibt sich Sommer auf ein wissenschaftlich hoch brisantes Feld, auf dem Anhänger zweier Lager um Anerkennung ringen. Die einen sind die Selektionisten, die anderen die dem Zufallsprinzip verschworenen Neutralisten. Sommer möchte sich am liebsten ganz raushalten und keine Entweder-Oder-Entscheidung treffen. „Wir werden da wohl die nächsten 20 Jahre keine Entscheidung bekommen. Ich glaube, es ist ein Fehler, in Schubladen zu denken. Es ist ganz klar, dass es Selektion gibt, aber es ist auch klar, dass viele Prozesse ohne Selektion entstehen“, sagt Sommer.

Interessante Fragen der evolutionären Anpassung wirft auch der Lebensraum von Pristionchus auf. Immer wieder ziehen Forscher aus, um neue Wildtypen von P. pacificus und neue Pristionchus-Arten aus der Natur zu isolieren. Fündig wurden sie zunächst ganz simpel in Bodenproben. Zufällig stießen die Wissenschaftler dann auf eine ergiebigere Quelle: tote Käfer im Stadium der Verwesung. Es zeigte sich, dass Fadenwürmer auf dem lebenden Käfer als inaktive Dauerform überleben. Nach dem Tod des Käfers werden sie äußerst rege, fressen Bakterien, die im Zuge der Verwesung massiv auftreten, und sie vermehren sich. Bei der Wahl ihres Käfer-Partners sind die meisten Pristionchus-Arten äußerst wählerisch, manche besiedeln nur eine einzige spezielle Käferart.

Jedem Käfer sein Würmchen?

Es stellt sich natürlich die Frage, wie die Würmer „ihren“ Käfer finden. Klassische Sinnesorgane fallen aus, Nematoden haben weder Augen noch Hör- oder herkömmliche Riechorgane. Chemotaktische Experimente lieferten die Antwort. „Wir haben das genauer untersucht an P. maupasi, der auf Maikäfer spezialisiert ist. Wir haben die Käfer mit Dichlormethan abgewaschen und ihnen diese Waschlösung in einiger Entfernung auf einer Petrischale angeboten. Sie krochen tatsächlich auf die Waschlösung zu, aber nicht auf reines Dichlorethan. Als aktive Komponente haben wir Phenol identifiziert, einen der Sexuallockstoffe des Maikäfers“, erklärt Sommer. Inzwischen hat er für zahlreiche Pristionchus-Arten spezifische chemische Lockstoffe identifiziert.

Welche molekularen Mechanismen die Wurm-Käfer-Beziehung steuern, warum und wie sie sich im Laufe der Evolution entwickelt haben, will Sommer nun ergründen. Auch ist noch nicht geklärt, ob die Beziehung parasitisch, mutualistisch (von einseitigem Nutzen ohne Schädigung des Partners) oder symbiotisch (von gegenseitigem Nutzen) ist. „Wir müssen auch noch schauen, wie das bei Käferlarven aussieht. Vielleicht hält das bessere Immunsystem des adulten Käfers die Wurmpopulation niedrig beziehungsweise inaktiv“, spekuliert Sommer und plant unter anderem genetische Screens, um den Fadenwürmern weitere Geheimnisse der Entwicklung und Evolution zu entlocken.

leh - 20.02.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen:
ZRM - Zentrum für Regenerationsbiologie und Regenerative Medizin
Prof. Dr. Konrad Kohler (Koordinator
Paul-Ehrlich-Straße 15
Fax 07071 - 29 4553
72076 Tübingen
E-Mail: konrad.kohler@regmed.uni-tuebingen.de
Tel.: 07071 - 298 5030

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02.03.2008

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