Neuer 3D-Anatomieatlas des afrikanischen Krallenfrosches erhöht das Verständnis der Entwicklungs- und Metamorphoseprozesse

16. Juli 2024

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Ein 3D-Anatomie-Atlas des Modellorganismus Xenopus laevis (dem Afrikanischen Krallenfrosch) steht jetzt zur Verfügung, um Forschern bei dem Verständnis der embryonalen Entwicklung und der Metamorphose zu helfen – dem faszinierenden Prozess, bei dem sich ein Kaulquappen in einen ausgewachsenen Frosch verwandelt.

Der Mangel an verfügbaren Daten dieser Art hat die Möglichkeit stark eingeschränkt, diese komplexen Prozesse zu bewerten und zu verstehen. Um den Zugang und die Interaktivität für Forscher, Wissenschaftler und sogar 3D-Druck-Enthusiasten zu erweitern, wurden diese Daten in frei verfügbare einbettbare digitale Dateien für 3D-Ansichten mit Sketchfab und als 3D-Druck-Dateien auf Thingiverse umgewandelt. Diese Arbeit wurde zusammen mit allen verfügbaren Daten im Journal GigaScience veröffentlicht.

Der Afrikanische Krallenfrosch (Xenopus laevis) ist aufgrund der Verfügbarkeit mehrerer Arten von Daten zu einem gut verstandenen und vielseitigen Wirbeltier-Modellorganismus für Studien in der Entwicklungsbiologie und anderen Disziplinen geworden, angefangen bei grundlegenden Transplantationsexperimenten für das Gebiet der Embryologie im frühen zwanzigsten Jahrhundert bis hin zu heutigen Experimenten mit hochwertiger Genomsequenzierungstechnologie.

Dieser leicht zu züchtende Frosch eignet sich besonders für Studien zur Neuorganisation des Körperplans während der großen Veränderungen, die bei der Verwandlung der Kaulquappe in einen ausgewachsenen Frosch auftreten, ein Prozess namens Metamorphose. Um jedoch in Richtung eines besseren Verständnisses dieser Prozesse voranzukommen, besteht ein großer Bedarf an einem zusätzlichen Datentyp.

Dr. Jakub Harnos von der Masaryk University (Tschechische Republik), ein leitender Wissenschaftler der Studie, erklärt, dass "eine bemerkenswerte Lücke in der Verfügbarkeit umfassender Datensätze zu den späten Entwicklungsstadien von Xenopus besteht."

Um diese Lücke zu füllen, stellt das Forscherteam nun diese fehlenden Daten zur Verfügung. Die Autoren verwendeten die 3D-Bildgebungstechnik der Röntgenmikrotomographie, um einen anatomischen Atlas zu erstellen, der die verschiedenen Entwicklungsstadien von X. laevis genauer beschreibt. Durch die detaillierte Analyse ihrer 3D-Rekonstruktionen in den verschiedenen Entwicklungsstadien konnten die Autoren entscheidende Veränderungen identifizieren, die während der anatomischen Transformationen in den Stadien von der Kaulquappe über das Jungtier zum ausgewachsenen erwachsenen Frosch auftreten.

Ein auffälliges Beispiel für die Formveränderungen, die mit diesen neuen hochauflösenden Daten in großer Detailgenauigkeit verfolgt werden können, ist die Anpassung der Position der sich entwickelnden Augen des Frosches und der genaue Zeitpunkt dieses Wechsels. Mit fortschreitender Entwicklung nimmt der Abstand zwischen den Augen progressiv ab.

"Diese Anpassung passt gut zur Lebensstrategie des Frosches, der vom wasserbewohnenden Kaulquappen mit seitlichen Augen zu einem erwachsenen Frosch mit auf dem Kopf positionierten Augen für einen untergetauchten Lebensstil übergeht, was an Krokodilen erinnert," bemerken die Autoren.

Auch der Darm des Frosches unterliegt während der Metamorphose einer erheblichen Umgestaltung. Über einen Zeitraum von 8 Tagen verkürzt sich der Darm um etwa 75 %, und das Schraubenmuster ändert sich drastisch. Dieser schwer mit anderen Methoden zu untersuchende Prozess kann mit der von den Forschern entwickelten Röntgenmikrotomographie in feinem Detail verfolgt werden.

Weitere anatomische Fakten, die durch den neuen 3D-Atlas in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung präsentiert werden, sind beispielsweise die Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Fröschen (Weibchen werden insgesamt größer) und die sehr subtile Positionierung der Zähne von X. laevis, die hinter dem Oberkieferbogen versteckt sind.