Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Genf (UNIGE) mit der EPFL, dem Collège de France sowie den Universitäten Harvard und Chicago liefert eine unerwartete Antwort: Die Finger stammen wahrscheinlich von der Wiederverwendung einer alten Genomregion ab, die ursprünglich bei der Bildung der Kloake von Fischen aktiv war und nicht in ihren Flossen. Diese in Nature veröffentlichte Entdeckung enthüllt eine bedeutende evolutionäre Strategie, die darin besteht, Vorhandenes zu recyceln, anstatt Neues zu schaffen.
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Vor 380 Millionen Jahren begannen unsere fischartigen Vorfahren, das Festland zu besiedeln, und entwickelten sich zu vielen Wirbeltierarten, die unter anderem über effiziente Lungen zur Sauerstoffaufnahme, aber auch über Füße und Hände verfügten. Zu verstehen, wie Letztere entstanden sind, bleibt eine der ältesten und am meisten diskutierten wissenschaftlichen Fragen. Stammen sie von Flossen ab, die unseren Armen und Beinen homolog sind, oder handelt es sich im Gegenteil um völlig neue Strukturen?
Anstatt ein neues Regelsystem für die Finger zu konstruieren, hat die Natur einen bestehenden Mechanismus umfunktioniert.
Perspektivenwechsel
Um diese Frage zu beantworten, untersuchte das Forschungsteam nicht nur die Gene, die an der Entwicklung der Finger selbst beteiligt sind, sondern erforschte auch die weitläufigen nichtkodierenden Regionen des Genoms – die Gesamtheit der Chromosomen und Gene einer Art oder eines Individuums –, die deren Expression und Aktivierung steuern. Diese Regionen werden als "regulatorische Landschaften" bezeichnet. Sie sind immens größer als die kodierenden Regionen, die nur 2 % des Genoms ausmachen, und wirken wie echte "Kontrolltürme" der Genexpression.
Durch den Vergleich der Genome von Maus und Fisch identifizierten die Wissenschaftler zunächst eine zwischen beiden Arten konservierte regulatorische Landschaft, die an der Entwicklung der Gliedmaßen der Maus beteiligt ist. Anschließend beobachtete das Team nach der Entfernung dieser riesigen DNA-Region beim Fisch mithilfe der CRISPR/Cas9-Technologie – genetische Scheren, die eine Genomeditierung ermöglichen – den Verlust der Genexpression in der Kloake, jedoch nicht in den Flossen.
Expression des Gens Hox13 im Zebrafisch (Duboule et al., Nature, 2025) © Brent Hawkins
Dieses überraschende Ergebnis legt nahe, dass die Kloake – ein Organ, in dem bei vielen Arten das Darm-, Ausscheidungs- und Fortpflanzungssystem an ihren Enden zusammentreffen – bei Landwirbeltieren zur Entwicklung der Finger wiederverwendet wurde. "Die Gemeinsamkeit zwischen Kloake und Fingern ist, dass sie Endabschnitte darstellen. Manchmal das Ende von Röhren im Verdauungssystem, manchmal das Ende von Füßen und Händen, also den Fingern. Beide markieren somit das Ende von etwas", erwähnt Aurélie Hintermann, ehemalige Doktorandin an der UNIGE, nun Postdoktorandin am Stowers Institute (USA) und Mitautorin der im Rahmen ihrer Promotion durchgeführten Studie.
Evolutionäres Recycling
Insbesondere steuern die betroffenen regulatorischen Landschaften die Aktivierung der Hox-Gene, sogenannter "Architekten-Gene". Sie legen den Bauplan des Körpers fest, indem sie die Position und Identität von Segmenten oder Organen bestimmen. Sie wirken an der Spitze eines komplexen Netzwerks aus Tausenden operativen Genen, indem sie deren Expression steuern. Eine Mutation in diesen Genen kann daher tiefgreifende anatomische Veränderungen hervorrufen, was wahrscheinlich ihre entscheidende Beteiligung an der Evolution erklärt.
"Dass diese Gene beteiligt sind, ist ein eindrückliches Beispiel dafür, wie die Evolution innoviert, indem sie Altes recycelt, um Neues zu schaffen", kommentiert Denis Duboule, Professor an der UNIGE und am Collège de France und Initiator der Studie. "Anstatt ein neues Regelsystem für die Finger zu konstruieren, hat die Natur einen bestehenden Mechanismus umfunktioniert, der ursprünglich in der Kloake aktiv war."
Ein neues Puzzleteil in der Evolution
Es sind also nicht nur die operativen oder kodierenden Gene, die sich entwickeln, sondern vor allem die Architektur ihrer Regulation. Und manchmal kann eine gesamte Region in einem anderen morphologischen Kontext recycelt werden, wie im Fall von der Kloake zu den Fingern. Es bleibt nun zu erforschen, nicht mehr wo diese Veränderungen im Genom auftreten, sondern wie, um weiterhin die Mechanismen der Evolution zu beschreiben und den Übergang von einem fernen aquatischen Vorfahren zum heutigen Fisch und Menschen zu erklären.