Entwicklungsbiologen der Universität Basel erforschen genetische Netzwerke der Wirbeltiere

Ob Flossen, Flügel oder Beine – das genetische Netzwerk, das deren Wachstum kontrolliert, ist sich im Lauf der Evolution gleich geblieben, wie das Bild von der symmetrischen Vorderpfote eines Mausembryos veranschaulicht.

Wie aus einer einzigen Zelle komplexe Lebewesen hervorgehen, die sich bewegen, ernähren und fortpflanzen können, gehört zu den grossen Wundern und Geheimnissen der Biologie. Geheimnisse, welche die Gruppe um den Entwicklungsbiologen Rolf Zeller an der Universität Basel zu lüften versucht.

Gleiches genetisches Netzwerk für alle Wirbeltiere

Die Forschenden interessieren sich für das genetische Netzwerk, das die Ausformung von Gliedmassen kontrolliert. Dieses hat sich im Lauf der Evolution kaum verändert. Die selben Gene spielen bei verschiedenen Wirbeltieren, von Fischen über Vögel und Reptilien bis zu den Säugetieren, die gleiche Rolle, auch wenn sich die geformten Gliedmassen – Flossen, Flügel oder Beine – klar unterscheiden.

Um diesem genetischen Netzwerk auf den Grund zu gehen, schaut sich das Team um Zeller genetisch veränderte Mäuseembryos genau an. «Wir greifen auf klassische Färbungen zurück, die es schon lange gibt», sagt Zeller. «Die Mittel färben den Knorpel blau und die Knochen rot. So sehen wir auf einen Blick, wie sich Fehler in den Genen auswirken.» Fallen nämlich gewisse Gene (und die Eiweisse, für die sie kodieren) aus, können sich die vermehrenden Zellen nicht mehr aufeinander abstimmen.

Zukünftige Zehenspitzen

In der entstehenden Vorderpfote von Mäusen zum Beispiel orientieren sich die Zellen an zwei verschiedenen Achsen: Die Längsachse unterteilt den wachsenden Zellhaufen in Vorläufer für den Oberschenkel, das Vorderknie, den Unterschenkel, den Fussballen, und die Zehen, während die Querachse zwischen vorne und hinten unterscheidet und somit bestimmt, an welcher Stelle eine Daumen- oder eine Kleinzehe entstehen soll.

Diese zwei Achsen hängen jeweils von einem Pol ab, einer präzis lokalisierten Gruppe von Zellen, die bestimmte Eiweisse herstellen. Diese diffundieren durch den Zellhaufen, so dass ihre Konzentration mit zunehmender Entfernung vom Pol abnimmt.

In der Längsachse bilden sich Oberschenkelknochen aus, wo kein Eiweiss des Pols hingelangt, während sich die zukünftigen Zehenspitzen durch den grössten Gehalt an diesen Eiweissen auszeichnen. Die Querachse funktioniert ähnlich.

Wenn sich aufgrund von genetischen Defekten der Pol der Querachse nicht bildet, verlieren die Zellen ihre Orientierung und bilden eine Vorderpfote aus, die symmetrisch ist, wie das Team um Zeller herausgefunden hat.

Dass dann zusätzliche Finger entstehen, haben Wissenschaftler auch bei Katzen und Hunden beobachtet. Beim Menschen kommt ungefähr eines von 2000 Neugeborenen mit mehr als fünf Fingern auf einer Hand zur Welt.

Fossile von alten Fischen weisen symmetrische Flossen auf, die Querachse ist deshalb stammesgeschichtlich gesehen jünger. Als während der Evolution ein zusätzlicher Pol und damit die Querachse entstand, boten sich den Lebewesen neue Möglichkeiten an, komplexere und raffiniertere Gliedmassen auszubilden. Das erlaubte den Wirbeltieren, das Wasser zu verlassen, um auch das Land und die Luft zu erobern.