Wie Fehler beim Kopieren und Einfügen zum Flug von Insekten, zur Tarnung von Oktopussen und zur menschlichen Wahrnehmung führten

Vor siebenhundert Millionen Jahren erschien erstmals ein bemerkenswertes Geschöpf. Obwohl das Tier nach heutigen Maßstäben vielleicht nicht sehr interessant anzusehen war, hatte es eine Vorder- und eine Rückseite, eine Oberseite und eine Unterseite. Dies war damals eine revolutionäre Anpassung, die den grundlegenden Körperbauplan festlegte, den die meisten komplexen Tiere, einschließlich des Menschen, schließlich erben würden.

Dieses unscheinbare Tier lebte in den alten Meeren der Erde und krabbelte wahrscheinlich über den Meeresboden. Es war der letzte gemeinsame Vorfahre der Bilaterier, einer großen Supergruppe von Tieren, zu denen Wirbeltiere (Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere) und Wirbellose (Insekten, Arthropoden, Weichtiere, Würmer, Stachelhäuter und viele andere) gehören.

Bis heute können mehr als 7.000 Gencluster auf den letzten gemeinsamen Vorfahren der Bilaterianer zurückgeführt werden, so eine Studie an 20 verschiedenen Bilaterian-Arten, darunter Menschen, Haie, Eintagsfliegen, Tausendfüßler und Kraken. Die Ergebnisse wurden von Forschern des Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona durchgeführt und werden heute in der Fachzeitschrift veröffentlicht Ökologie und Evolution der Natur.

Bemerkenswerterweise ergab die Studie, dass etwa die Hälfte dieser angestammten Gene inzwischen von Tieren für den Einsatz in bestimmten Körperteilen, insbesondere im Gehirn und im Fortpflanzungsgewebe, umfunktioniert wurden. Die Ergebnisse sind überraschend, da alte und konservierte Gene im Allgemeinen grundlegende und wichtige Funktionen erfüllen, die in vielen Teilen des Körpers benötigt werden.

Als die Forscher genauer hinsahen, stellten sie fest, dass eine Reihe zufälliger „Kopieren-und-Einfügen“-Fehler während der bilateralen Evolution dafür verantwortlich waren. Es gab zum Beispiel schon früh in der Geschichte der Wirbeltiere einen wichtigen Moment. Zum ersten Mal tauchte eine Reihe gewebespezifischer Gene auf, die mit zwei Duplikationsereignissen des gesamten Genoms zusammenfielen.

Tiere könnten eine Kopie für ihre Grundfunktionen behalten, während die zweite Kopie als Rohmaterial für evolutionäre Innovationen verwendet werden könnte. Ereignisse wie diese sind in unterschiedlichem Ausmaß im gesamten zweiseitigen Evolutionsbaum ständig aufgetreten.

„Unsere Gene sind wie eine riesige Bibliothek von Rezepten, die auf unterschiedliche Weise zubereitet werden können, um Gewebe und Organe zu erzeugen oder zu verändern. Stellen Sie sich vor, Sie erhalten versehentlich zwei Kopien eines Paella-Rezepts. Sie können das Originalrezept behalten und genießen, während die Evolution die zusätzliche Kopie optimiert damit stattdessen Risotto entsteht.

„Stellen Sie sich nun vor, dass das gesamte Rezeptbuch zweimal kopiert wird und welche evolutionären Möglichkeiten es eröffnet. Das Erbe dieser Ereignisse, die vor Hunderten von Millionen Jahren stattfanden, bleibt heute ‚heute bei den komplexesten Tieren‘ bestehen“, erklärt Autorin Federica Mantica. des Artikels und Forscher am Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

Die Autoren der Studie fanden viele Beispiele für neue gewebespezifische Funktionen, die durch die Spezialisierung dieser angestammten Gene ermöglicht wurden. Beispielsweise spielten die TESMIN- und Tomb-Gene, die von demselben Vorfahren stammen, unabhängig voneinander eine spezielle Rolle in den Hoden sowohl bei Wirbeltieren als auch bei Insekten. Ihre Bedeutung wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Probleme mit diesen Genen die Spermienproduktion stören und die Fruchtbarkeit von Mäusen und Fruchtfliegen beeinträchtigen können.

Die Spezialisierung der Gene der Vorfahren legte auch den Grundstein für die Entwicklung komplexer Nervensysteme. Beispielsweise haben Forscher bei Wirbeltieren Gene entdeckt, die für die Bildung von Myelinscheiden um Nervenzellen unerlässlich sind und für die schnelle Übertragung von Nervensignalen unerlässlich sind. Beim Menschen identifizierten sie außerdem FGF17, das eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung kognitiver Funktionen bis ins hohe Alter spielen würde.

Bei Insekten sind bestimmte Gene in der Muskulatur und Epidermis auf die Bildung der Kutikula spezialisiert und tragen so zu ihrer Flugfähigkeit bei. In der Haut von Oktopussen haben sich andere Gene auf die Wahrnehmung von Lichtreizen spezialisiert und tragen so zu ihrer Fähigkeit bei, ihre Farbe zu ändern, sich zu tarnen und mit anderen Oktopussen zu kommunizieren.

Durch die Untersuchung der Artenentwicklung auf Gewebeebene zeigt die Studie, dass Veränderungen in der Art und Weise, wie Gene in verschiedenen Teilen des Körpers genutzt werden, eine wichtige Rolle bei der Schaffung neuer und einzigartiger Merkmale bei Tieren gespielt haben. Mit anderen Worten: Wenn Gene in bestimmten Geweben zu wirken beginnen, kann dies zur Entwicklung neuer Merkmale oder körperlicher Fähigkeiten führen, die letztendlich zur Evolution der Tiere beitragen.

„Unsere Arbeit bringt uns dazu, die Rollen und Funktionen von Genen zu überdenken. Sie zeigt uns, dass Gene, die für das Überleben wichtig sind und über Millionen von Jahren erhalten bleiben, im Laufe der Evolution auch sehr leicht neue Funktionen erlangen können.

„Dies spiegelt das evolutionäre Gleichgewicht zwischen der Erhaltung lebenswichtiger Rollen und der Erforschung neuer Wege wider“, schließt Manuel Irimia, Forschungsprofessor am ICREA, Mitautor des Artikels und Forscher am Regulation Center Genomics.