Forschungsbericht 2004 - Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen

Der Fadenwurm Pristionchus pacificus als Modellsystem für die Erforschung evolutionärer Prinzipien im Tierreich

Autoren
Sommer, Ralf J.
Abteilungen

Abt. 4: Evolutionsbiologie (Sommer) (Prof. Dr. Ralf J. Sommer)
MPI für Entwicklungsbiologie, Tübingen

Zusammenfassung
Die Organismen des Tierreichs besitzen eine überraschend große Übereinstimmung in den molekularen Regulationsmechanismen, die ihre Entwicklung steuern. Bisher ist es aber vollkommen unklar, wie die verschiedenen Organismen diese Regulationsmechanismen verwenden und abwandeln, um die nahezu unendliche biologische Formenvielfalt zu schaffen, die wir in der Natur beobachten können. Die evolutionäre Entwicklungsbiologie geht der Frage nach, wie diese Vielfalt entsteht, indem verwandte, aber trotzdem unterschiedliche Arten miteinander verglichen werden. Dazu haben wir den Fadenwurm Pristionchus pacificus als Satellitensystem der evolutionären Entwicklungsbiologie etabliert. Nach der Erstellung einer ganzen Palette von molekularen Methoden zum Vergleich von P. pacificus mit dem Modellorganismus Caenorhabditis elegans, konzentrieren sich unsere gegenwärtigen Arbeiten auf die Entwicklungsbiologie, Neurobiologie, Genomik und Ökologie dieser Tierarten.

Die Evolution von Entwicklungsmechanismen

Die zentrale Frage der Entwicklungsbiologie der Tiere und Pflanzen ist die mechanistische Erklärung der Entstehung vielzelliger Organismen aus einer einzelligen Eizelle. In den letzten 20 Jahren hat die Entwicklungsbiologie, zum größten Teil basierend auf genetische Ansätze, zeigen können, dass die meisten Tierarten eine überraschend große Zahl übereinstimmender Entwicklungsmechanismen benutzen. Hoch konservierte Signaltransduktionsketten und Transkriptionsfaktoren steuern die Entwicklung der Fliege Drosophila melanogaster ebenso wie die Entwicklung des Fadenwurms Caenorhabditis elegans, der Maus oder des Süßwasserpolypen Hydra [1]. Diese zuerst überraschende Beobachtung weitreichender Gemeinsamkeiten wirft aber letztendlich mehr Fragen auf als sie Antworten bereitstellt: Wenn die molekularen Prozesse der Musterbildung während der Entwicklung der Tiere derart stark konserviert sind, wie entsteht dann die nahezu unendliche Formenvielfalt vielzelliger Organismen?

Wir beschäftigen uns mit dieser Problematik im Detail und haben den Fadenwurm P. pacificus als Modellsystem für vergleichende Studien im Bereich der Entwicklungsbiologie, Genetik, Genomik und Neurobiologie etabliert. Der Grundgedanke bei der Wahl eines geeigneten Organismus ist die evolutionäre Distanz zu einem der Modellorganismen. Wie oben erwähnt, wurden die Grundprinzipien der tierischen Entwicklung an gut einer „Hand voll” Organismen erforscht: Fliege, Wurm, Hydra und den Wirbeltieren Maus, Huhn, Krallenfrosch und Zebrafisch. All´ diese Organismen unterscheiden sich in ihrer Körpergrundgestalt jedoch derart, dass ein direkter Vergleich zwischen diesen Arten keine Einblicke über die Art der evolutionären Transformationen geben kann, die letztendlich das Rohmaterial der Evolution darstellen. Dazu muss man näher verwandte Arten derselben Tiergruppe miteinander vergleichen. Dabei ist es essenziell, die Arten so auszuwählen, dass bereits entscheidende morphologische und entwicklungsbiologische Unterschiede zwischen ihnen existieren. Gleichzeitig sollten die Arten aber immer noch so ähnlich zueinander sein, dass der gemeinsame Ursprung der zu untersuchenden Strukturen über das Homologieprinzip sichergestellt ist.

Fadenwürmer als Labortiere

Der Fadenwurm C. elegans ist einer der bereits erwähnten Modellorganismen der biologischen Grundlagenforschung. Die einfache Zucht, die selbstbefruchtende Lebensweise, die kleine Zellzahl von 959 Körperzellen im ausgewachsenen, zwittrigen Tier und die einfache Manipulierbarkeit haben diese Art in den vergangenen Jahren schnell zu einem häufig benutzten Modellorganismus in Entwicklungsbiologie, Neurobiologie und Zellbiologie gemacht (www.wormbase.org/).

Ausgehend von C. elegans haben wir vor etwa 10 Jahren begonnen, eine weitere Nematodenart namens P. pacificus als Vergleichssystem zu C. elegans zu etablieren (Abb. 1). Er stellt also einen Satellitenorganismus dar. P. pacificus besitzt ähnliche technische Vorteile wie C. elegans. Das erwachsene Tier ist 1 mm groß, kann auf dem Darmbakterium Escherichia coli gezüchtet werden, ist ein selbstbefruchtender Zwitter und hat eine Generationszeit von etwa 4 Tagen bei 20 °C. Der letzte gemeinsame Vorfahre von P. pacificus und C. elegans lebte vor etwas mehr als 200 Millionen Jahren, zur Zeit der Dinosaurier.

Eine Methodenpalette für P. pacificus

Unser Verständnis biologischer Prozesse und Zusammenhänge ist in hohem Maße von dem zur Verfügung stehenden Methodenspektrum abhängig. Deshalb haben wir ausgehend von den einfachen Zuchtbedingungen eine Methodenpalette in P. pacificus etabliert, die mechanistische Studien und Vergleiche zu C. elegans erlaubt. Da P. pacificus eine selbstbefruchtende Art ist, kann man genetische Experimente zur Isolierung von entwicklungsdefekten Mutanten im Hochdurchsatz durchführen. Im Laufe der letzten Jahren haben wir zahlreiche Mutanten isoliert, in denen die Entwicklung des Eiablageapparates, dazu gehören die Vulva und die Geschlechtsmuskulatur, gestört ist. Ebenso haben wir Mutanten mit Defekten in der Entwicklung der Geschlechtsorgane (Gonaden) oder aber der Geschlechtsbestimmung isoliert. Des Weiteren arbeiten wir an der genetischen Regulation der Entwicklung der Dauerstadien und des Riechsystems.

Seit 2001 haben wir zusätzlich eine genomische Plattform für P. pacificus etabliert.
Dazu wurde zuerst eine genetische Karte mit mittlerweile mehr als 400 molekularen Markern erstellt. Diese Karte stellt Ankerpunkte bereit, die über das gesamte Genom des Tieres recht gleichmäßig verteilt sind und ermöglicht somit die Kartierung von Mutanten. Die genetische Karte wurde durch die Erstellung einer physikalischen Karte und der Sequenzierung von cDNA-Klonen komplementiert. 2004 hat die Max-Planck-Gesellschaft zusammen mit der amerikanischen Gesundheitsbehörde NIH (National Institute of Health) ein genomisches Sequenzierungsprojekt für P. pacificus beschlossen (www.nhgri.nih.gov/12511858), welches derzeit an der Washington University in St. Louis (USA) durchgeführt und bereits im Laufe des Jahres 2005 die gesamte genomische Sequenz von P. pacificus zur Verfügung stellen wird. Das Vorliegen des Genoms von P. pacificus ist nicht nur ein Meilenstein für die funktionelle Analyse von Mutanten und die evolutionären Vergleiche zu C. elegans, sondern ermöglicht darüber hinaus die Beantwortung zahlreicher neuer Fragestellungen: Wie unterschiedlich sind die Genome zweier Fadenwurmarten, die seit mehr als 200 Millionen Jahren getrennt sind und in verschiedenen Ökosystemen leben (siehe unten)? Welche Gene haben diese beiden Organismen gemeinsam, die sich bei parasitischen Fadenwürmern nicht finden? Welche Gene sind fadenwurm-spezifisch und in Vertretern anderer verwandter Tierstämme, wie den Insekten, nicht vorhanden? Das bald vorliegende Genom kann Antworten auf diese Fragen liefern.

Der Eiablageapparat: Morphologisch ähnlich, aber molekular grundverschieden

Einer der Schwerpunkte unserer Arbeit ist die genetische und molekulare Analyse der Bildung des Eiablageapparates in P. pacificus. Der Eiablageapparat von P. pacificus und C. elegans wird von denselben (homologen) Vorläuferzellen gebildet und ist deshalb in seiner Anlage vergleichbar. Genetische und molekulare Arbeiten in C. elegans haben in den letzten 15 Jahren gezeigt, dass zahlreiche für die Krebsentstehung im Menschen essenzielle Faktoren bei der Bildung des Eiablageapparates in C. elegans eine Rolle spielen [2].

Aufbauend auf diese Studien haben wir in den letzten Jahren die genetische und molekulare Analyse der Entwicklung des Eiablageapparates in P. pacificus forciert (Abb. 2). Überraschenderweise zeigten diese Arbeiten deutliche Unterschiede zur Bildung der entsprechend homologen Struktur in C. elegans. Dabei wurde festgestellt, dass sich die darunter liegenden molekularen Prozesse sehr deutlich voneinander unterscheiden.

Als einer der stärksten Unterschiede hat sich bisher die Rolle der „ Wingless”-Signaltransduktionskette erwiesen. Diese Signaltransduktionskette ist eine von sieben, im Tierreich stark konservierten molekularen Mechanismen, mithilfe derer Zellen und Gewebe im Tier miteinander kommunizieren [1]. Vergleichende funktionelle Studien in P. pacificus und C. elegans zeigen nun, dass die „Wingless”- Signaltransduktionskette in beiden Arten eine entgegengesetzte Rolle in der Spezifizierung des Eiablageapparates spielt: Während die „Wingless”-Signaltransduktionskette in C. elegans die Bildung des Eiablageapparates fördert, hat sie in P. pacificus eine hemmende Funktion [3]. Dieses Beispiel ist stellvertretend für zahlreiche andere Fälle, in denen wir große molekulare Unterschiede in der Entwicklung homologer Strukturen gefunden haben. Unsere Arbeiten sind am besten mit der Hypothese zu erklären, dass die Ausbildung morphologischer Strukturen und die sie verwirklichenden molekularen Prozesse überraschend stark entkoppelt sind. Die molekularen Spezifizierungsmechanismen von Entwicklungsprozessen scheinen dabei enorme Freiheitsgrade zu besitzen, die sich im Laufe der Evolution so stark verändern können, dass selbst homologe Strukturen nahe verwandter Arten durch ganz andere molekulare Mechanismen reguliert werden. Zukünftige Arbeiten müssen sich deshalb unter anderem auch auf die Frage konzentrieren, wie solche Unterschiede im Laufe der Evolution entstehen und fixiert werden können. Dabei wird man der „Redundanz”, dem Phänomen, dass mehrere Spezifizierungsmechanismen parallel an der Ausbildung derselben Struktur beteiligt sind, eine besondere Bedeutung beimessen müssen.

Der Bogen zur Ökologie: Wo leben Fadenwürmer wirklich?

Neben den entwicklungsgenetischen und genomischen Schwerpunktthemen unserer Forschungsarbeiten werfen die beschriebenen Unterschiede in der Ausbildung homologer Strukturen die Frage auf, welche Selektionsmechanismen für die Entstehung dieser Unterschiede verantwortlich sind. Um diese Frage beantworten zu können, muss die Lebensweise der Nematoden in freier Natur genauer analysiert werden. Neuere Arbeiten zeigen eindeutig, dass C. elegans ein freilebender Bodennematode ist, den man bevorzugt im Kompost finden kann. Zwar ist Kompost eigentlich kein “natürliches” Habitat, trotzdem ist es aber leicht vorstellbar, dass C. elegans in einem ähnlichen Bodenhabitat natürlich vorkommt.

Die Vertreter der Gattung Pristionchus leben in einem gänzlich anderen Ökosystem. Die europäischen Verwandten von P. pacificus, P. maupasi und P. lheritieri, leben in Maikäfern (Melolontha melolontha) und Mistkäfern (Geotrupes stercocarius). P. pacificus selbst kommt in Nordamerika vor und wurde an Käfern der Gattung Phyllophaga gefunden. Des Weiteren sind wir dabei, die von den Käfern bereitgestellten "Ökosysteme" genauer zu studieren: In welchen Entwicklungsstadien kommen die Fadenwürmer auf den Käfern vor? Leben sie nur in erwachsenen Käfern oder auch in den Engerlingen? Fressen sie bevorzugt Bakterien oder Pilze? Unsere bisherigen Arbeiten zeigen, dass Vertreter der Gattung Pristionchus als Dauerlarven in den Käfern leben und nicht aktiv den Tod der Käfer herbeiführen. Vielmehr warten die Würmer den natürlichen oder durch Pilzbefall verursachten Tod der Käfer ab und ernähren sich dann von den Mikroorganismen, die während des Zerfalls den verrottenden Käfer besiedeln. Dieses Phänomen wird als “Necromenie” bezeichnet und gilt als unmittelbare Vorstufe zum Parasitismus.

Interessanterweise ist der Tier – und Pflanzenparasitismus bei Fadenwürmern vielfach unabhängig entstanden. Bedeutende Krankheitserreger gehören in die Gruppe der Fadenwürmer, so z. B. die Erreger der Flussblindheit (Onchocerca volvolus) oder aber der Elephantiasis (Wuchereria bancrofti). Die in Pristionchus zu beobachtende necromenische Lebensweise mag deshalb Einblicke in die unmittelbaren Vorstufen des Parasitismus geben. Dabei wird der bald vorliegenden Gesamtsequenz des Genoms von P. pacificus eine besondere Bedeutung zukommen.

Originalveröffentlichungen

1.
Pires-daSilva, A. & Sommer, R. J.
The evolution of signaling pathways in animal development.
Nature Reviews Genetics, 4, 39-49 (2003)
2.
Wang, M. & Sternberg, P. W.
Pattern formation during C. elegans vulva induction.
Curr. Top. Dev. Biol., 51, 189-220 (2001)
3.
Zheng, M., Messerschmidt, D., Jungblut, B. & Sommer, R. J.
Conservation and diversification of Wnt signaling function during the evolution of nematode vulva development.
Nature Genetics, 37, 300-304 (2005)
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