Der evolutionäre Ursprung der Nährstoffhomöostase bei Tieren

Tiere können nur leben, wachsen und sich bewegen wenn ihre Zellen dauerhaft mit Nährstoffen versorgt werden. Zu dem Zweck muss jedes Tier Nahrung aufnehmen, verdauen und die Nährstoffe an alle Körperzellen verteilen. Manche Tiere wie z. B. Wirbeltiere oder Insekten, können Nährstoffe in bestimmten Körperregionen speichern, um sie bei Bedarf freizusetzen und so ein stabiles Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Diese sogenannte "Nährstoffhomöostase" wird bei Wirbeltieren und Insekten durch ein komplexes Organsystem gesteuert, welches Nährstoffbedarf, -aufnahme und -freisetzung koordiniert. Z. B. führt Nahrungsaufnahme bei Wirbeltieren zur Freisetzung von Hormonen im Gehirn, was wiederum die Bauchspeicheldrüse zur Sekretion von Insulin anregt. Ein hoher Insulinspiegel im Blut bewirkt daraufhin vermehrte Zuckeraufnahme und Fettsynthese. Im Gegensatz zu Wirbeltieren besitzen Insekten keine Bauchspeicheldrüse, sondern regulieren den Nährstoffhaushalt durch Insulin- ähnliche Moleküle (ILP) die hauptsächlich vom Gehirn ausgeschüttet werden. Einfacher gebaute Tiere, wie z. B. Schwämme, besitzen kaum Nährstoffspeicher und sind deshalb stark auf eine beständige Versorgung aus der Umwelt angewiesen. Die Entstehung der Nährstoffhomöostase während der Evolution der Tiere ist bisher unbekannt. Wir versuchen die Evolution dieses grundsätzlichen Systems durch Untersuchungen an Cnidariern wie z. Bsp. Seeanemonen oder Quallen zu verstehen. Diese Tiere sind durch ihren einfachen Körperbau experimentell leicht zugänglich. Sie haben keine Organe, kein Gehirn, keinen Blutkreislauf und sind aus nur zwei Zellschichten aufgebaut. Dennoch besitzen sie ILP-Moleküle und die Fähigkeit zur Nährstoffspeicherung. Wir werden bei der Seeanemone Nematostella vectensis das Zusammenspiel zwischen ILP-sekretierenden und Speicherzellen untersuchen. Im Besonderen interessiert uns der Zusammenhang zwischen ILP-Produktion und Nahrungsverfügbarkeit, sowie die Rolle von ILP bei der Speicherung und Freisetzung von Zucker, Fett und Proteinen. Die Ergebnisse werden dazu beitragen die Funktion und Evolution des Insulinsystems, und der evolutionäre Ursprung der Bauchspeicheldrüse besser zu verstehen. Ein zweiter Teil des Projekts basiert auf der Beobachtung, dass die Gonaden von Seeanemonen und Quallen, deren letzten gemeinsame Vorfahren über 500 Millionen Jahre alt sind, als Nährstoffspeicher genutzt werden. Falls dies eine alte Eigenschaft aller Cnidarier ist, würde wir erwarten, dass dieselben Gene an der Aufnahme oder Freisetzung von Nährstoffen beteiligt sind. Deswegen wollen wir alle Gene aufspüren, die in den Gonaden der Seeanemone Nematostella vectensis, der Ohrenqualle Aurelia aurita, oder der Qualle Clytia hemisphaerica in gefütterten oder hungerndem Zustand aktiv transkribiert werden. Ein Vergleich der Datensätze wird diejenigen Genprodukte aufzeigen, die während der Entstehung der Nährstoffhomöostase von essentieller Bedeutung waren.

In bilateral-symmetrischen Tieren (wie z. Bsp. Fliegen, Fadenwürmer, oder Wirbeltiere) reguliert der Insulin/Tor-Signalweg Nährstoffaufnahme, Stoffwechsel und Wachstumsraten. Unser Ziel war es, herauszufinden, wie diese fundamentalen physiologischen Prozesse während der Evolution der Tiere entstanden sind. Daher haben wir untersucht, ob der Insulin/Tor-Signalweg der Regulation ähnlicher Prozesse auch in der Schwestergruppe der Bilateria, den Nesseltieren, zugrunde liegt. Dieses Projekt hat zu ersten Erkenntnissen darüber geführt, welche zellulären und molekularen Veränderungen bei Seeanemonen mit dem Fütterungsregime korrelieren. Wir konnten zeigen, dass sich die Aktivität einiger Insulinpeptid-ähnlicher Gene während des Fastens verändert, und die Inhibition des Insulin/Tor-Signalweges zu reduziertem Wachstum führt. Dies lässt darauf schließen, dass Insulin/Tor in Seeanemonen, ähnlich wie von Bilateriern bekannt, das Körperwachstum reguliert. Diese ersten Resultate haben einerseits unsere Hypothese bestätigt, und uns andererseits darin bestärkt die Funktion des Insulinsignalweges mittels Insulinrezeptor- Mutanten derzeit weiter zu untersuchen. Der zweite Teil des Projektes zielte darauf ab, noch unentdeckte Gene zu identifizieren, die in die Koordination zwischen Nährstoffaufnahme, Metabolismus und Wachstum bei Seeanemonen involviert sind. Zu diesem Zweck haben wir die globalen Aktivitätsveränderungen aller Gene in Speicher- und Insulin-produzierendem Gewebe zwischen gefütterten und hungernden Seeanemonen untersucht und verglichen. Interessanterweise zeigen u.a. die Gene die stärksten Veränderungen, die eine Rolle bei der Zellteilung und bei der Entwicklung von Nerven- und Nesselzellen spielen. Diese Daten erlauben uns erstmals den Zusammenhang zwischen Nährstoffen und Zellteilung, der auch beim Tumorwachstum eine wesentliche Rolle spielt bei Seeanemonen zu untersuchen.