Der Evolution von Signalwegen auf der Spur

Genom des Fadenwurms „Pristionchus pacificus“ liefert Navigationshilfe bei der Suche nach Mutationen in der Evolution von Entwicklungsvorgängen

Das National Human Genome Research Institute (NHGRI) der amerikanischen Gesundheitsbehörde NIH hat jetzt in die Liste jener Tierarten, deren Genom als nächstes sequenziert werden soll, auch den Fadenwurm Pristionchus pacificus aufgenommen, der in der Abteilung „Evolutionsbiologie“ von Prof. Ralf J. Sommer am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen erforscht wird. Die Max-Planck Gesellschaft beteiligt sich finanziell an dem Genomprojekt und ermöglicht dadurch die Sequenzierung eines polymorphen Stammes von Pristionchus pacificus sowie der Schwesterart Pristionchus maupasi. Der Vergleich mit dem Genoms des Fadenwurms Caenorhabditis elegans soll es ermöglichen, molekulare Veränderungen zu identifizieren, die der Evolution von Entwicklungsvorgängen zugrunde liegen. So sind den Tübinger Entwicklungsbiologen gerade neue Einblicke in die Evolution und die beteiligten Gene jenes Signalweges gelungen, der im Embryo die Festlegung des Geschlechts steuert (Genes & Development, 15. Mai 2004).

Wie sind eigentlich die in der Embryonalentwicklung ablaufenden Vorgänge in der Evolution entstanden, lautet eine Schlüsselfrage der Biologie. Vergleichende Untersuchungen der frühen Entwicklung von Lebewesen zeigen, dass Unterschiede in der räumlichen und zeitlichen Regulation von Genen sowie Veränderungen der Spezifität der regulierenden Proteine zu neuen Strukturen, Form und Entwicklungsvorgängen in Organismen führen. Doch bis heute weiß man nicht, wie sich solche Veränderungen tatsächlich vollziehen, ob sie einmalig ausgelöst oder durch eine Vielzahl kleinerer Veränderungen verursacht werden. Der Vergleich der Entwicklung verwandter Arten verspricht hier wichtige neue Erkenntnisse. Dazu gehen die Forscher auf die Suche nach Unterschieden in der Entwicklung der verschiedenen Arten und versuchen, deren genetische Grundlagen zu identifizieren.

Einer der wichtigsten Modellorganismen in der Entwicklungsbiologie ist der im Boden lebende, etwa ein Millimeter lange Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Seine Entwicklung ist verhältnismäßig einfach – das erwachsene Tier besteht aus nur rund 1.000 Zellen – und verläuft sehr stereotyp. Tatsächlich ist es Forschern schon vor geraumer Zeit gelungen, das Schicksal jeder einzelnen Zelle, quasi die Zellbiographie, bei C. elegans nachzuvollziehen, also wann und wo sie sich teilt und welche Entwicklung ihre Nachkommen einschlagen und welchen Platz diese Zellen dann im ausgewachsenen Organismus einnehmen. Als Forschungsobjekt ist C. elegans äußerst beliebt: Er war der erste mehrzellige Organismus, dessen Genom vollständig entschlüsselt wurde.

In der Abteilung um Ralf J. Sommer am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen steht ein Vergleich zwischen der Entwicklungsprogrammatik von C. elegans und einem entfernten Verwandten, dem Fadenwurm Pristionchus pacificus, im Zentrum des Interesses. Vergleichende Arbeiten in der Entwicklungsbiologie ermöglichen Einblicke in die Entstehung der Vielfalt der Strukturen und Formen, die man sowohl im Tier- als auch im Pflanzenreich vorfindet. Die Evolutionäre Entwicklungsbiologie will daher zeigen, wie Entwicklungsvorgänge evolutionär entstanden sind.

Entwicklungsprozesse kann man in den beiden Fadenwürmern C. elegans und P. pacificus mit Hilfe von genetischen Methoden analysieren. Die genetische Kontrolle zahlreicher Entwicklungsprozesse in P. pacificus unterscheidet sich jedoch deutlich von der bei C. elegans. Das macht einen direkten Vergleich der beteiligten Gene schwer. Nachdem die Tübinger Forscher in einem ersten Schritt eine genetische und eine physikalische Karte des P. pacificus-Genoms erstellt haben (Genetics 162: 129-134, 2002; Mol. Gen. Genomics 269: 715-722, 2003), wird nun das komplette Genom des Fadenwurms durch das Genome Sequencing Center der Washington University in St. Louis, USA, sequenziert. Mit 100 bis 130 Millionen Bausteinen entspricht das P. pacificus-Genom im Umfang nur etwa 4 Prozent des Humangenoms.

Die Max-Planck Gesellschaft stellt durch eine Projektförderung der Abteilung von Ralf J. Sommer zusätzliche finanzielle Mittel zur Verfügung, die das Pristionchus-Projekt an zwei Stellen entscheidend ausdehnen: Zum einen ermöglicht die Max-Planck-Förderung die Sequenzierung eines zweiten Wild-Isolates von Pristionchus pacificus Die beiden Stämme unterscheiden sich an einigen Stellen in der Basenabfolge der Sequenz und geben damit den Forschern wichtige Werkzeuge für die molekulare Analyse von Mutanten in die Hand. Zum zweiten wird mit Max-Planck-Mitteln eine nahe verwandte Art, Pristionchus maupasi sequenziert. Die Forscher versprechen sich von dem Sequenzvergleich zwischen Pristionchus pacificus und Pristionchus maupasi entscheidende Einblicke in die Art der regulatorischen Prozesse während der Entwicklung des Fadenwurms.

Die kooperative Förderung der Pristionchus-Genomforschung durch die Max-Planck-Gesellschaft und das NIH ist ein wichtiger Beitrag zur vergleichenden Entwicklungsbiologie in Deutschland und ermöglicht in den folgenden Jahren einen vereinfachten Zugang zu den molekularen Mechanismen der Evolution der Fadenwürmer, eine der weltweit am stärksten untersuchten Tiergruppen.

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Prof. Ralf J. Sommer
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen
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