Lange Zeit wurde angenommen, dass Seesterne überhaupt keine Köpfe haben.

1. November 2023

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vom Chan Zuckerberg Biohub

Seit Jahrhunderten rätseln Naturforscher darüber, was den Kopf eines Seesterns, im Volksmund auch als "Seestern" bezeichnet, ausmachen könnte. Bei einem Wurm oder einem Fisch ist klar, welches Ende der Kopf und welches Ende der Schwanz ist. Aber mit ihren fünf identischen Armen, von denen jeder den Anstoß geben kann, um Seesterne über den Meeresboden zu bewegen, wurde spekuliert, wie das vordere Ende des Organismus vom hinteren Ende zu unterscheiden ist. Dieser ungewöhnliche Körperbau hat viele zu dem Schluss gebracht, dass Seesterne vielleicht überhaupt keinen Kopf haben. 

Aber jetzt haben Labors an der Stanford University und der UC Berkeley, die jeweils von den Ermittlern des Chan Zuckerberg Biohub San Francisco geleitet werden, eine Studie veröffentlicht, die nahelegt, dass die Wahrheit näher am absoluten Gegenteil liegt. Kurz gesagt haben sie im Jugendstadium von Seesternen Gensignaturen entdeckt, die mit der Kopfentwicklung in Verbindung stehen, während die Expression von Genen, die für den Rumpf und den Schwanz eines Tieres codieren, weitgehend fehlte.

Die Forscher verwendeten verschiedene hochmoderne molekulare und genomische Techniken, um herauszufinden, wo verschiedene Gene während der Entwicklung und des Wachstums von Seesternen exprimiert wurden. Ein Team in Southampton verwendete die Mikro-CT-Scannung, um die Form und Struktur des Tieres in bisher unerreichtem Detail zu verstehen.

In einer weiteren überraschenden Erkenntnis wurden molekulare Signaturen, die normalerweise mit dem vordersten Teil des Kopfes assoziiert werden, in der Mitte jeder der Arme des Seesterns lokalisiert. Diese Signaturen wurden zunehmend weiter hinten verlagert, wenn man sich zu den Rändern der Arme hin bewegt.

Die am 1. November in Nature veröffentlichte Forschung legt nahe, dass Seesterne im Laufe der Evolution ihre Körper verloren haben und nur Köpfe blieben. Micro-CT-Scans eines Seesterns, der das Skelett (grau), das Verdauungssystem (gelb), das Nervensystem (blau), die Muskeln (rot) und das Wasser-Kreislaufsystem (lila) zeigt. Bildnachweis: University of Southampton

"Es ist, als ob der Seestern vollständig einen Rumpf vermissen würde und am besten als nur ein Kopf beschrieben werden kann, der am Meeresboden entlangkrabbelt", sagte Laurent Formery, ein Postdoktorand und Hauptautor der neuen Studie. "Es ist überhaupt nicht das, was Wissenschaftler über diese Tiere angenommen haben."

Zwei der drei Co-Senior-Autoren der Studie, der Meeres- und Entwicklungsbiologe Christopher Lowe von der Stanford University und Daniel Rokhsar von der UC Berkeley, ein Experte für die molekulare Evolution von Tierarten, arbeiten seit einem Jahrzehnt zusammen.

Fast alle Tiere, einschließlich Menschen, sind bilateral symmetrisch, das heißt, sie können entlang einer einzigen Achse von Kopf bis Schwanz in zwei gespiegelte Hälften geteilt werden. Im Jahr 1995 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an drei Wissenschaftler verliehen, die anhand von Fruchtfliegen nachwiesen, dass der bilaterale, kopf-zu-schwanz-anordnende Körperplan, der bei den meisten Tieren zu beobachten ist, durch die Wirkung einer Reihe von molekularen Schaltern entsteht, die von Genen codiert werden und in definierten Kopf- und Rumpfregionen exprimiert werden.

Forscher haben seitdem bestätigt, dass diese genetische Programmierung auch von der großen Mehrheit der Tierarten geteilt wird, einschließlich Wirbeltieren wie Menschen und Fischen sowie vielen Wirbellosen wie Insekten und Würmern.

Aber der Körperbau von Seesternen hat lange Zeit das Verständnis der Wissenschaft über die Tierentwicklung verwirrt. Statt bilateraler Symmetrie zeigen erwachsene Seesterne und verwandte Stachelhäuter wie Seeigel und Seegurken eine fünffache Symmetrieachse ohne klaren Kopf oder Schwanz. Und niemand konnte herausfinden, wie genetische Programmierung diese ungewöhnliche fünffache Symmetrie steuert.

Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass sich bei Seesternen die Kopf-Schwanz-Achse vom gepanzerten Rücken des Tieres bis zum Unterbauch erstrecken könnte, der mit sogenannten Röhrenfüßen bedeckt ist. Andere haben vorgeschlagen, dass jeder der fünf Arme des Seesterns einer Kopie einer konventionellen Kopf-Schwanz-Achse entspricht.

Bisherige Versuche, solche Hypothesen endgültig zu bestätigen, sind jedoch auf Herausforderungen gestoßen, hauptsächlich weil die Methoden zur Erkennung der Genexpression, die hauptsächlich bei einer kleinen Anzahl von Modellorganismen wie Mäusen und Fliegen entwickelt wurden, in jungem Seesterngewebe nicht gut funktionieren. Jahre lang juckte es Lowe und seinen Kollegen in den Fingern, genetische Informationen auf die Frage anzuwenden, indem sie die genetische Aktivität in sich entwickelnden Seesternen kartierten. Aber ohne die komplexen genetischen Werkzeuge, die über Jahrzehnte der Forschung für typische Modellorganismen entwickelt wurden, war eine solche umfassende Analyse eine Herausforderung.

Lowe encountered a solution for this problem at one of the regular San Francisco meetings of Biohub Investigators, where another researcher suggested he contact PacBio, a Silicon Valley–based company that builds genome-sequencing devices. Over the previous five years, PacBio had been perfecting a technique for sequencing massive quantities of genetic material using postage stamp–sized chips jam-packed with millions of individual chemical reactors, each primed to simultaneously read long stretches of DNA captured within.

Unlike traditional sequencing, which requires chopping genetic material into small pieces to ensure accuracy, PacBio's approach, called HiFi sequencing, can pull highly accurate data from intact, gene-sized DNA strands, making the process much faster and cheaper. It was exactly what Lowe and his team needed to establish a process for studying sea star genetics from the ground up.

'The kind of sequencing that would have taken months can now be done in a matter of hours, and it's hundreds of times cheaper than just five years ago,' said David Rank, also a co–senior author of the new study and a former PacBio Scientific Fellow. 'These advances meant we could start essentially from scratch in an organism that's not typically studied in the lab and put together the kind of detailed study that would have been impossible 10 years ago.'

This technology allowed the researchers to sequence the genomes of the sea stars and employ an approach called spatial transcriptomics, through which they could pinpoint which sea star genes are active at precise locations in the organism. To search for patterns that would indicate a head-to-tail axis, the researchers examined gene expression differences in three different directions across the body: from the sea star's center to its arm tips, from its top to its underbelly, and from one side edge of its arms to the other.

Then, to get a closer look at how certain key genes were behaving, they labeled them one by one with fluorescent dyes to create a detailed map of their distribution in the sea star body.

The researchers found that neither of the prominent hypotheses of sea star body plan structure was correct. Instead, they saw that gene expression corresponding to the forebrain in humans and other bilaterally symmetrical animals was located along the midline of sea stars' arms, with genetic expression corresponding to that of the human midbrain towards the arms' outer edges.

While the genes marking different subregions of the head in humans and other bilaterians were expressed in the sea star, only one of the genes typically associated with the trunk in animals was expressed, at the very edges of the sea stars' arms.

'These results suggest that the echinoderms, and sea stars in particular, have the most dramatic example of decoupling of the head and the trunk regions that we are aware of today,' said Formery, adding that some bizarre-looking sea star ancestors preserved in the fossil record do appear to have had a trunk. 'It just opens a ton of new questions that we can now start to explore.'

Questions that the team hopes to address next involve whether the genetic patterning seen in sea stars also shows up in sea urchins and sea cucumbers. For his part, Formery also wants to look into what the sea star can teach us about the evolution of the nervous system, which, he said, no one quite understands in echinoderms.

Learning more about the sea star and its relatives will not only help solve key mysteries of animal evolution, but could also inspire innovations in medicine, the researchers said. Sea stars walk by moving water through thousands of tube feet and digest their prey by extruding their stomachs outside of their bodies. It only stands to reason that these unusual creatures have also evolved completely unexpected strategies for staying healthy—which, if we took the time to understand them, could expand our approaches to combating human disease.

'It's certainly harder to work in organisms that are less frequently studied,' Rokhsar said. 'But if we take the opportunity to explore unusual animals that are operating in unusual ways, that means we are broadening our perspective of biology, which is eventually going to help us solve both ecological and biomedical problems.'

Journal information: Nature

Provided by Chan Zuckerberg Biohub