Die evolutionären Geheimnisse des Nervensystems
Das Nervensystem ist eine der lebenswichtigsten und komplexesten Strukturen lebender Organismen, da es für die Übertragung von Signalen zwischen verschiedenen Teilen des Körpers verantwortlich ist. Es steuert wesentliche Funktionen wie Bewegung, Sinnesempfindungen und Wahrnehmung und ist damit überlebenswichtig. Ungeachtet seiner Bedeutung stellt der evolutionäre Ursprung des Nervensystems jedoch immer noch eines der großen Rätsel der Biologie dar. Zu verstehen, wie sich dieses komplizierte System über verschiedene Arten hinweg entwickelt hat, kann wichtige Einblicke sowohl in die Funktionsweise des menschlichen Gehirns als auch in die weiter gefasste Evolution des Lebens auf der Erde geben.
Genregulationsnetzwerke über verschiedene Arten hinweg erforschen
Das von Carlos Rivera geleitete Projekt RipGEESE wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt und verfolgte das Ziel, die Evolution des Nervensystems zu enträtseln. Während in herkömmlichen Evolutionsstudien die Verwandtschaftsbeziehungen häufig durch den Vergleich genetischer Sequenzen nachgezeichnet werden, untersuchte das Team von RipGEESE, wie sich die genregulatorischen Netzwerke im Lauf der Zeit verändert haben. „Anhand der Untersuchung von Gennetzwerken wollten wir aufklären, wie sich die Komplexität des Nervensystems über verschiedene Tierarten hinweg entwickelt hat“, erklärt er. Die Experimente konzentrierten sich auf drei gut erforschte neuronale Wirbeltierzelltypen: serotonerge und adrenerge Neuronen sowie Gliazellen. Diese Zellen wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktionen bei der Regulierung der Neurotransmission und der Unterstützung der neuronalen Funktion ausgewählt.
Spezifische Nervensystemgene im Verlauf der Evolution
Anhand von Einzelzell-RNS-Sequenzierungsdaten von acht Tierarten wurden 39 Genfamilien ermittelt, die im Nervensystem aller Tiere exprimiert werden. Interessanterweise entdeckte das Team, dass viele für das Nervensystem entscheidende Genfamilien bereits bei den Choanoflagellaten, den einzelligen Vorfahren der Tiere, vorhanden waren. Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass der größte Teil der genetischen Kernmaschinerie für das Nervensystem bereits lange, bevor Tiere komplexe Nervensysteme entwickelten, existierte. Darüber hinaus gilt die Entdeckung einer einzigen Genfamilie, die direkt mit dem Vorhandensein von Nervensystemen verbunden ist, als eine Schlüsselerkenntnis, die weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis sowohl der Evolutionsbiologie als auch der Entwicklung von Erkrankungen des Nervensystems haben könnte.
Die Evolution simulieren
Da noch unklar ist, wie sich die Sequenzen von Genen mit einer gemeinsamen Funktion entwickeln, hat das Team von RipGEESE ein Vorhersagemodell entwickelt, das simuliert, wie sich miteinander interagierende Gene weiterentwickeln. Dieses Instrument bietet eine innovative Möglichkeit, die Entwicklung von Gennetzwerken zu modellieren, indem analysiert wird, wie sich die Sequenzen der beteiligten Gene im Zeitverlauf verändern. Mithilfe des CastNet-Simulators konnte das Team modellieren, wie der Selektionsdruck auf Organismen, insbesondere auf ihre Phänotypen, zu koevolutionären Mustern in Gensequenzen und regulatorischen Interaktionen führen könnte. „Dieses Werkzeug eröffnet neue Möglichkeiten zur Erkundung der Evolution von Gennetzwerken, was in einem tieferen Verständnis dafür münden wird, auf welche Weise regulatorische Interaktionen die Entwicklung komplexer biologischer Systeme wie des Nervensystems beeinflussen“, betont Rivera. In Zukunft verfolgt das Team von RipGEESE das Ziel, die Evolution von Genregulationsnetzwerken über weitere Arten hinweg zu untersuchen. Es ist geplant, die Vorhersagemodelle weiter zu verfeinern und die Forschung auf andere Arten regulatorischer Interaktionen auszuweiten. Insgesamt wurden im Zuge von RipGEESE durch die Konzentration auf die Rolle von Genregulationsnetzwerken wichtige Beiträge zum Verständnis der Evolution des Nervensystems geleistet. Gleichermaßen wurde der Grundstein für eine neue Ära in der Evolutionsbiologie gelegt, in der die Genregulation bei der Erklärung der Vielfalt und Komplexität des Lebens im Mittelpunkt steht.
Schlüsselbegriffe
RipGEESE, Nervensystem, Evolution, Gen, regulatorisches Netzwerk