Erforschung der Zelltypen von Chaetognathen

Die schier unglaubliche Artenvielfalt von Tieren unterschiedlichster Formen hat schon Generationen von Wissenschaftern fasziniert. Dieser Diversität liegt eine ebensogroße Vielfalt von einzelnen Zellen zugrunde, die man sich als winzige Bausteine der einzelnen Organismen vorstellen kann. Pfeilwürmer bilden einen Tierstamm, dessen Körperbauplan bisher nur wenig erforscht wurde. Diese torpedoförmigen marinen Organismen mit einer Größe von bis zu 120 Millimeter machen einen beträchtlichen Teil des marinen Planktons aus, von dem sich wiederum andere Organismen wie Fische und Wale ernähren. Pfeilwürmersind durchsichtige Prädatoren, die mit ihrem charakteristischen Kieferapparat (wissenschaftlicher Name: Chaetognatha = Borstenkiefer) unter anderem kleine Krebstiere fangen. Bis heute ist ihre Verwandtschaft strittig und so wurden sie im Laufe der Jahrhunderte den verschiedensten Tiergruppen nahegestellt. Grund dafür ist, dass Pfeilwürmer sowohl Merkmale der äußerlichen Gestalt, aber auch des Erbguts mit anderen Zweiseitentieren (Bilateria) teilen. Im Rahmen dieses FWF-Einzelprojekts, welches in Kollaboration mit Wissenschaftern der Université Libre de Bruxelles in Belgium ausgetragen wird, untersuchen Projektleiter Tim Wollesen und sein Team die Diversität von Zelltypen während der Entwicklung des Pfeilwurms Spadella cephaloptera. Mit den Verfahren der Einzell- und Genomsequenzierung können die Forscher buchstäblich jeden einzelnen Zelltypen in dem sich entwickelnden Organismus auf Übereinstimmungen im Vorkommen von Ribonukleinsäuren überprüfen. Ribonukleinsäurenwirken unter anderemalsgenetische Informationsüberträger und werden in Proteine übersetzt, die wiederum Bausteine der Zellen sind. Dieser experimentelle Ansatz, der bisher bei vergleichsweise wenigen Organismen verfolgt wurde, erlaubt es, Zelltypen und Organe eindeutig zu bestimmen und besser mit denen anderer Tiere zu vergleichen. Die Wissenschafter versuchen so herauszufinden, welche Nervenzellen der Pfeilwürmer mit den entsprechenden Zellen anderer Tiere verwandt sind. Des Weiteren erforschen Wollesen und sein Team die den Kieferapparat bildenden Zelltypen. Hier gehen sie der Frage nach, ob diese möglicherweise verwandt sind mit Zelltypen anderer Tiere, die ähnliche harte Strukturen im Schlundbereich aufweisen, wie z.B. Schnecken. Dieses Projekt wird bedeutende Einblicke in die Evolution und Entwicklung von Pfeilwürmern und Zweiseitentieren geben.

Meeresorganismen zeigen eine erstaunliche Vielfalt darin, wie ihre Körper aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Dennoch beruhen viele dieser Unterschiede auf überraschend ähnlichen biologischen Mechanismen. Dieses Projekt erforscht einen wenig bekannten Tierstamm, die sogenannten Chaetognathen oder Pfeilwürmer. Diese Tiere liefern wichtige Einblicke in die Frage, wie komplexe Eigenschaften wie Nervensysteme, Körperstrukturen und Haftmechanismen im Laufe der Evolution entstanden sind. Ein zentraler Teil dieses Projekts untersucht, wie sich das Nervensystem des Pfeilwurms Spadella entwickelt. Durch die Analyse der Genaktivität in frühen Embryonen und Jungtieren konnten wir zeigen, dass dieselben Gene, die beim Menschen und anderen Tieren am Aufbau des Nervensystems beteiligt sind, auch bei Spadella aktiv sind. Das deutet darauf hin, dass grundlegende Mechanismen der Nervensystementwicklung sehr alt sind und bereits bei frühen Vorfahren der Tiere existierten. Gleichzeitig weisen Pfeilwürmer auch besondere Merkmale auf, die helfen zu verstehen, wie sich Nervensysteme im Laufe der Evolution weiterentwickelt und verändert haben. Darüber hinaus haben wir untersucht, wie die Kopf-Schwanz-Achse im Körper angelegt wird. Dabei zeigte sich, dass Pfeilwürmer grundlegende genetische Muster mit anderen Tieren teilen, aber auch eigene, spezielle Anpassungen entwickelt haben. Mithilfe moderner Methoden wie Einzelzell-RNA-Sequenzierung, Genomik und Proteomik konnten wir verschiedene Zelltypen in diesen Tieren identifizieren und genauer charakterisieren. Dazu gehören Zellen, die an der Haftung, am Nervensystem und an frühen Entwicklungsprozessen beteiligt sind. Besonders wichtig ist, dass wir erstmals zeigen konnten, welche Zelltypen bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium (der sogenannten Gastrulation) vorhanden sind und wie daraus Gewebe wie Muskeln und Nervensystem entstehen. Außerdem konnten wir Zelltypen identifizieren, die zu einem exkretorischen System gehören. Ein solches System wurde bei Pfeilwürmern bisher noch nicht beschrieben. Spadella lebt in Meeresgebieten mit starken Strömungen, weshalb es für das Überleben entscheidend ist, sich anheften zu können. Wir konnten zeigen, dass diese Tiere spezielle Zellen und eine Art "Klebstoff" verwenden, der aus einer komplexen Mischung biologischer Moleküle wie Zucker und Proteinen besteht, um sich vorübergehend an Oberflächen anzuheften. Ähnliche Haftmechanismen finden sich auch bei anderen Organismen, obwohl sie unabhängig voneinander entstanden sind. Das zeigt, dass die Evolution oft vergleichbare Lösungen für ähnliche Herausforderungen hervorbringt. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieses Projekts darauf hin, dass Pfeilwürmer sowohl sehr alte, konservierte biologische Mechanismen als auch einzigartige Anpassungen besitzen. Ihre Untersuchung hilft uns zu verstehen, wie grundlegende Baupläne von Tieren, Nervensysteme und wichtige Funktionen entstanden sind und sich weiterentwickelt haben. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für die Evolutionsbiologie relevant, sondern auch für angewandte Bereiche wie die Entwicklung neuer Materialien oder biotechnologischer Verfahren.