Die Evolution von Muskeln: Entwicklung und Struktur von Muskeln in Cnidaria

Muskeln sind ein Hauptderivat des Mesoderms in Bilateria. Die Forschungsliteratur legt nahe, dass sowohl glatte als auch gestreifte Muskulatur in allen Bilateria homolog ist. Beide Muskeltypen finden sich allerdings auch in diploblastischen Organismen wie beispielsweise den Cnidaria. In einem vorausgehenden FWF-Projekt konnten wir zeigen, dass trotz ihrer verblüffenden Ähnlichkeit gestreifte Muskeln in Diploblasten und Bilateria unabhängig evolviert sind, auf der Basis eines anzestralen Sets von Proteinen. Cnidaria sind die Schwestergruppe der Bilateria und sind daher sehr informativ für die Evolution von Schlüsselmerkmalen der Bilateria. In diesem Projekt wollen wir zwei Modellorganismen der Cnidaria, die Seeanemone Nematostella vectensis und die Meduse der Scyphozoa Aurelia aurita nutzen, um die Evolution von Muskeln in früh abzweigenden tierischen Linien zu verstehen. Durch einen "unbiased screen" wollen wir versuchen, muskel-spezifische Gene und Proteine zu identifizieren, die massgeblich an der Differenzierung (Postdoc Projekt) und an der Strukturbildung (PhD student Projekt) von glatten und gestreiften Muskeln in der Seeanemone und der Qualle beteiligt sind. Im Falle von Nematostella werden wir glatte Muskelzellen aus einer muskel-spezifischen transgenen Linie durch FACS isolieren. Bei Aurelia haben wir eine Technik entwickelt, um gestreifte Muskeln aus der Subumbrella der Meduse zu isolieren. Diese Proben werden dann sowohl für Transkriptom- als auch Proteomanalysen herangezogen. Nach der bioinformatischen Annotation werden wir die differentiell exprimierten Gene durch In situ Hybridisierung validieren und gegen eine selektierte Anzahl von Proteinen Antikörper generieren, um die subzelluläre Lokalisation in gestreiften Muskeln zu bestimmen. Die Rolle der Entwicklungsgene und der Strukturproteine werden wir funktionell durch Morpholino-vermittelte Gen-Knockdowns (Nematostella) oder Elektroporation von hairpin / siRNA Konstrukten (Aurelia) analysieren. Dieses Projekt kombiniert modernste Techniken mit der spezifischen Expertise unseres Labors, um eine fundamentale Frage der Biologie zu beantworten, nämlich wie neue oder neu rekrutierte Gene in ein bestehendes Netzwerk integriert werden können, damit ein komplexer Zelltyp in der Evolution entstehen kann.

Muskelzellen sind eine der Schlüsselinnovationen der Evolution von Tieren und haben wahrscheinlich zur Vielfalt von Körperplänen und Physiologie von Millionen von Tierarten beigetragen. Es ist jedoch unklar, wie sich die Muskeln evolviert haben und ob Muskeln verschiedener Phyla zueinander homolog sind. Muskeln bei Tieren, einschließlich des Menschen, können glatt (wie die Darmschleimhaut) oder gestreift (wie das Herz oder der Skelettmuskel) sein, um verschiedene spezielle Aufgaben zu erfüllen. Es ist auch ein Rätsel, durch welche Mechanismen sich Zellen in einem tierischen Linie während der Evolution diversifizieren konnten. Bei Wirbeltieren und Insekten, die Teil der Bilateria sind, entstehen Muskeln hauptsächlich aus der dritten Keimschicht, dem Mesoderm. In Cnidaria (Seeanemonen, Quallen, Korallen), einer Schwestergruppe der Bilateria, können Muskeln sowohl aus Ektoderm als auch aus Endoderm gebildet werden, da ihnen das Mesoderm fehlt. In diesem Projekt untersuchten wir die Muskeln bei verschiedenen Nesseltieren, wobei der Schwerpunkt auf einder Seeanemone Nematostella vectensis lag. Da sich jeder Zelltyp durch seinen Satz aktivierter und transkribierter Gene unterscheidet, spiegelt das Transkriptom die Identität des Zelltyps wie ein Fingerabdruck wider. Wir konnten das Transkriptionsprofil von Tausenden einzelner Zellen aus der Seeanemone durch Einzelzelltranskriptomik bestimmen. Dadurch konnten wir vier verschiedene Muskelzelltypen identifizieren. Beim Vergleich untereinander und mit Muskeln der Bilateria stellten wir fest, dass sie in zwei Klassen eingeteilt sind: schnell-kontrahierende und langsam-kontrahierende Muskeln. Die langsam kontrahierenden Muskeln zeigten in ihrem Komplex von regulatorischen Proteinen bemerkenswerte Ähnlichkeiten zum Herzmuskel von Wirbeltieren und Insekten, während die schnell kontrahierenden Muskeln sehr unterschiedliche regulatorische Proteine verwendeten. Interessanterweise exprimierten schnelle und langsame Muskeln zahlreiche Strukturproteine, wie z.B. Myosine, die aus vielen Gen-Duplikationen entstanden sind und sich anschließend entweder auf schnelle oder langsame Muskeln spezialisierten. Ähnliche Genduplikate wurden unter den regulatorischen Proteinen gefunden. Das bedeutet, dass extensive Genduplikationen somit die Diversifizierung der Zelltypen erleichterten. Wir postulieren, dass der Herzmuskel der Bilateria seinen evolutionären Ursprung in langsam kontrahierenden Muskeln bei dem gemeinsamen Vorfahren von Nesseltieren und Bilateria vor etwa 700 Millionen Jahren hat. Im Gegensatz dazu entstanden die sich schnell zusammenziehenden Muskeln wie die gestreiften Skelettmuskeln wahrscheinlich unabhängig voneinander in den verschiedenen Tierlinien.