Verändertes Verhalten konservierter Zellen formt das Gesicht des Hais

Forscher haben herausgefunden, dass die Zellen, aus denen das Gesicht entsteht, aus einem Programm hervorgehen, das bei allen Kieferwirbeltieren hochgradig konserviert ist. Unterschiedliche Gesichtsarchitekturen entstehen jedoch durch das unterschiedliche Verhalten der Zellnachkommen.

Das meiste, was Wissenschaftler über die Gesichtsentwicklung wissen, stammt aus Studien an Knochenwirbeltieren wie Mäusen, Hühnern und Zebrafischen. Ihre evolutionären Gegenstücke, die Knorpelfische, sind jedoch bislang weitgehend unerforscht geblieben. Diese Wissenslücke hat unser Verständnis davon eingeschränkt, wie sich die Gesichtsstrukturen am Ursprung der Kieferwirbeltiere entwickelt haben.

Um dieser Frage nachzugehen, untersuchte das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Markéta Kaucká am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie den Kleingefleckten Katzenhai (Scyliorhinus canicula). Durch die Kombination von Einzelzell-Transkriptomik mit hochauflösender molekularer Bildgebung und Synchrotronstrahlungs-Mikro-Computertomographie (SR- µCT) verfolgten die Forschenden die Entwicklung der kranialen Neuralleistenzellen – jener Zellpopulation, die für den Aufbau des Gesichts verantwortlich ist.

Die Architekten des Wirbeltiergesichts

Kraniale Neuralleistenzellen sind eine transiente Population multipotenter Zellen, die nur in Embryonen von Kieferwirbeltieren vorkommt und eine zentrale Rolle beim Aufbau von Kopf und Gesicht spielt. Sie entstehen während der frühen Entwicklung an der Grenze der Neuralplatte (dem zukünftigen Gehirn), lösen sich von dort ab und wandern in bestimmte Regionen des Embryos. Dort differenzieren sie sich zu einer Vielzahl von Geweben, darunter ein Großteil des kraniofazialen Skeletts, Knorpel, Bindegewebe und Teile des peripheren Nervensystems. Aufgrund ihres breiten Entwicklungspotenzials und ihrer Schlüsselrolle bei der Formung der Gesichtsstrukturen gelten kraniale Neuralleistenzellen als wichtiger Motor der Evolution des Wirbeltierkopfes.

Ein gemeinsamer Bauplan über 400 Millionen Jahre hinweg

Die Forscher fanden heraus, dass kraniale Neuralleistenzellen bei Haien, die sich vor mehr als 400 Millionen Jahren von den Knochenwirbeltieren abgespalten haben, einem Entwicklungsprogramm folgen, das dem der Knochenwirbeltiere sehr ähnlich ist. Diese Zellen entstehen und wandern auf eine hochkonservierte Weise. Dies deutet darauf hin, dass der grundlegende „Bauplan“ für die Gesichtsbildung bereits früh in der Evolution der Kieferwirbeltiere festgelegt wurde. Und auch, dass er über verschiedene Abstammungslinien hinweg beibehalten wurde.

Wo Unterschiede entstehen: Veränderungen im Zellverhalten

Trotz dieser gemeinsamen Grundlage deckt die Studie eine entscheidende Quelle für Variationen auf: das Verhalten der Neuralleistenzellnachkommen (Tochterzellen). Beim Katzenhai sammeln sich die Nachkommen der Neuralleistenzellen zunächst hinter dem Auge und warten dort, anstatt sich wie bei der Maus oder dem Huhn zur Vorderseite des sich entwickelnden Gesichts zu bewegen. Entscheidend ist, dass aus diesen Zellen später dennoch die entsprechenden anatomischen Regionen entstehen. Dies deutet darauf hin, dass ähnliche Ergebnisse über unterschiedliche Entwicklungswege erreicht werden können.

„Wir hatten erwartet, dass die einzigartige Gesichtsform des Hais auf unterschiedliche Eigenschaften der kranialen Neuralleistenzellen zurückzuführen ist; das ist jedoch nicht der Fall“, sagt Dr. Elio Escamilla-Vega, Erstautor der Studie. „Das zentrale genetische Programm der kranialen Neuralleistenzellen ist bemerkenswert konserviert, und stattdessen sind die Dynamik und das Verhalten der Nachkommen der Hauptunterschied.“

Warum blieb dies bisher verborgen?

„Hai-Embryonen entwickeln sich mehrere Monate lang in einer festen Eihülle, wo sie gut vor der Umgebung geschützt sind. Dies erschwert die Anwendung von Methoden, die Forscher bei anderen Modellorganismen routinemäßig einsetzen, wie beispielsweise die Zelllinienverfolgung bei Mäusen und Zebrafischen oder die Farbstoffverfolgung bei Hühnern. Dies ist eine der größten Herausforderungen bei der Arbeit mit einem solch einzigartigen Nicht-Modellorganismus“, sagt Dr. Kaucká.

Die Forscher arbeiteten mit dem Forschungszentrum DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) und Dr. Jörg Hammel zusammen. Sie nutzten die Synchrotronstrahlungs-Mikro-Computertomographie, um die frühe Entwicklung des Katzenhais zu verstehen. „Durch Gewebekontrastierung in Kombination mit attenuationsbasierten Röntgenstrahlen können wir Bilder von sich entwickelnden Haien in 3D mit zellulärer Auflösung erzielen“, sagt Dr. Jörg Hammel von DESY. In Kombination mit der Färbung verschiedener Gene konnten die Forscher Zellen, Gewebe und Organe in sich entwickelnden Katzenhai-Embryonen zuverlässig segmentieren. Dies ermöglichte ihnen, die zelluläre Dynamik während der gesamten Entwicklung zu verstehen.

Daten zum Katzenhai sind der Forschungsgemeinschaft zugänglich

Die Forscher haben alle Daten hinterlegt, um sie der Forschungsgemeinschaft zugänglich zu machen. „Der Katzenhai wird in der Forschung immer häufiger eingesetzt“, sagt Dr. Escamilla-Vega, „aber im Vergleich zu traditionellen Forschungsorganismen ist seine Entwicklung noch weitgehend unerforscht. Wir wollten den Wissenschaftlern diese Ressourcen zur Verfügung stellen, da noch so viele interessante Informationen darin zu erschließen sind.“

Diese Forschung wurde von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Forschungszentrum DESY (Hamburg, Deutschland), einem Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft HGF (Antrag I-20230087), finanziert.

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