In einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel verwendeten Wissenschaftler das Amphioxus, einen nahen Verwandten der Wirbeltiere, um die Mechanismen zu verstehen, die diese Komplexifizierung ermöglichten.
Der Kopf der Wirbeltiere: eine komplexe Struktur, die spezifisch für Wirbeltiere ist.
Wirbeltiere zeichnen sich durch das Vorhandensein extrem komplexer morphologischer Strukturen im Vergleich zu anderen wirbellosen Chordaten aus. Eine dieser Strukturen, möglicherweise die faszinierendste, ist ihr Kopf.
Dieser Kopf besteht aus einer Reihe von Organen und Geweben, die sich im Laufe der Evolution als Reaktion auf die Anpassung von einer passiven zu einer aktiven Ernährungsweise entwickelt haben. Zu den Geweben, die den Kopf bilden, gehört die Muskulatur, die viele Fragen aufwirft. Diese Muskulatur stammt aus dem Mesoderm, das zusammen mit dem Ektoderm und dem Endoderm eines der drei embryonalen Keimblätter ist, die sich zu Beginn der Entwicklung bilden und das gesamte Gewebe des erwachsenen Körpers hervorbringen.
Ein Exemplar des Lanzettfischchens (oder Amphioxus) —Subphylum: Cephalochordata—, gesammelt in grobkörnigen Sandsedimenten (600 µm) auf dem Belgischen Kontinentalschelf. Gesamtlänge: etwa 22 mm.
Bild: Wikimedia
Im Gegensatz zu den Körpermuskeln, die sich aus Segmenten des paraxialen Mesoderms, den sogenannten Somiten, entwickeln, entstehen die Muskeln des Kopfes aus unsegmentiertem pharyngealem Mesoderm und der prächordalen Platte.
Das Amphioxus untersuchen, um zu verstehen, wie sich der Kopf der Wirbeltiere gebildet hat
Diese Entwicklung der Muskeln aus einem unsegmentierten Territorium ist eine spezifische Eigenschaft der Wirbeltiere. Bei den Cephalochordaten (d. h. Amphioxus), wirbellosen Tieren, die den Wirbeltieren sehr nahe stehen, ist das paraxiale Mesoderm entlang des gesamten Körpers segmentiert, was als ursprüngliches Merkmal angesehen wird.
Das Auftreten neuer morphologischer Strukturen oder Gewebe kann mit der Evolution neuer Zelltypen in Verbindung stehen, die aus der Umstrukturierung genetischer Regulationsnetzwerke während der embryonalen Entwicklung resultieren.
Um Hypothesen über das Auftreten dieser spezifischen Muskeln der Wirbeltiere, insbesondere der Kopfmuskeln, zu formulieren, verwendeten die Wissenschaftler die scRNA-seq-Technologie (Einzelzell-Transkriptomsequenzierung), um einen Zellatlas der Amphioxus-Neurula zu erstellen, einem Entwicklungsstadium, in dem sich die wichtigsten mesodermalen Kompartimente spezifizieren.
Die gewonnenen Daten ermöglichten es, eine Hypothese über die evolutionäre Geschichte der Kopfmuskulatur der Wirbeltiere vorzuschlagen. So wurde beim Amphioxus ein Gebiet festgestellt, das der prächordalen Platte der Wirbeltiere ähnelt, und es wurde die Homologie zwischen spezifischen Gebieten der Somiten von Amphioxus und dem pharyngealen und lateralen Mesoderm der Wirbeltiere nachgewiesen.
Atlas der Zelltypen der Amphioxus-Neurula.
A. Zweidimensionale Projektion der Zellcluster ("Metazellen"). Die "Metazellen" sind nach Zelltyp farbcodiert.
B. Kreisdiagramme, die den Anteil der Zellen zeigen, die jedem Zelltyp unter den gewonnenen Transkriptomen zugeordnet wurden (oben); und 3D-Rekonstruktion der Neurula von Amphioxus mit Zuordnung der Zellkerne zu jedem Keimblatt (unten). Links ist ein Querschnitt zu sehen. Rechts sind dorsale Ansichten mit anteriorer Seite oben (Komplettansicht, ohne Zellkerne der Epidermis und ohne Zellkerne der Epidermis und Nervenzellen) dargestellt.
© Nature Communications / Hector Escriva
In diesem kürzlich in Nature Communications veröffentlichten evolutionären Szenario wäre das Auftreten der mesodermalen Strukturen, die speziell den Kopf der Wirbeltiere bilden, sowohl mit der Abtrennung bereits vorhandener Zellpopulationen beim Vorfahren als auch mit der Rekrutierung neuer Gene zur Kontrolle der Bildung "neuer" Muskeln verbunden gewesen.
Referenzen:
An amphioxus neurula stage cell atlas supports a complex scenario for the emergence of vertebrate head mesoderm
Grau-Bové X, Subirana L, Meister L, Soubigou A, Neto A, Elek A, Naranjo S, Fornas O, Gomez-Skarmeta JL, Tena JJ, Irimia M, Bertrand S, Sebé-Pedrós A, Escriva H.
Nature Communications. 29. Mai 2024; DOI: 10.1038/s41467-024-48774-4. PMID: 38811547; PMCID: PMC11136973.