Christiane Nüsslein-Volhard (2010) - On the Genetic Basis of Morphological Evolution (Lecture + Discussion)

Sie sind also mit der Evolutionstheorie vertraut, und wir werden mit Darwins Reise um die Welt anfangen. Diese große Reise unternahm Darwin als junger Mann auf der "Beagle". Dies ist die Route, die er nahm. Er startete in Plymouth, in England und reiste dann nach Südamerika, weiter zu den Galapagos-Inseln, dann nach Neuseeland, Tasmanien und Australien und über Afrika zurück nach England. Während seiner Reisen sammelte er viele Pflanzen und Tiere und alle möglichen Arten von Lebewesen und schickte sie nach Hause, wo sie beschrieben wurden. Er besaß ein enormes Wissen über alle diese Pflanzen und Tiere. Das ist etwas wirklich Außergewöhnliches. Ich glaube, heutzutage hat keiner von uns zeitgenössischen Biologen ein so umfangreiches Wissen. Und das ist vielleicht der Grund, warum er seine Evolutionstheorie entwickeln konnte. Und er bemerkte viel. Kurze Zeit, nachdem er nach England zurückgekommen war, zeichnete er die ersten Skizzen der Stammbäume. Er stellte fest, dass man Ähnlichkeiten bei Pflanzen und Tieren sehen konnte, die sehr deutlich waren, so dass man nicht sagen konnte, dass sie von Gott in einer voneinander völlig unabhängigen Art und Weise erfunden wurden. Er bemerkte Regelmäßigkeiten und Ähnlichkeiten und daraus schloss er, dass es einen gemeinsamen Ursprung dieser Tiere und Pflanzen geben müsse und dass sie gemeinsame Organisationsprinzipien hatten. Und dann schrieb er dieses überaus wichtige Buch, das Sie vermutlich nicht gelesen haben,... aber unbedingt lesen sollten. Es wurde vor 150 Jahren im Jahr 1859 veröffentlicht und trägt den Titel "The Origin of Species by Means of Natural Selection". In diesem Buch beschrieb er, dass die Ähnlichkeit von Pflanzen, von Tieren auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeht, was bedeutet, dass sie tatsächlich von denselben Vorfahren abstammen. Eines der wichtigsten Argumente für diese Theorie war in der Tat die Klassifikation, etwas, das die Biologen lange vor ihm bemerkt hatten, dass es möglich war, ein natürliches System der Pflanzen und Tiere aufzustellen und sie entsprechend ihrer Ähnlichkeiten und Unterschiede zu ordnen. Sie wissen, dass Linnaeus bereits im 18. Jahrhundert dieses natürliche System aufgestellt hatte, in dem er Pflanzen, bestimmte Pflanzen, aber auch Tiere klassifizierte und sie entsprechend der Ähnlichkeiten in ihrem Körperbau und ihrer Organisation in Gruppen anordnete. Und in Schritt 13 ging es immer und immer wieder darum, dass der Umstand, dass man klassifizieren kann, bereits ein Hinweis darauf ist, dass es einen gemeinsamen Ursprung, eine gemeinsame Abstammung gibt. Er zog dann daraus den Schluss, und dies ist ein Satz, den ich aus seinem Buch zitiere, dass dass sie sich in absteigenden Graden ähneln, so dass sie in Gruppen unter Gruppen klassifiziert werden können. Naturforscher versuchen, die allgemeine Art und die Familien in jeder Klasse in einem sogenannten natürlichen System anzuordnen. Und das ist es, was die Wissenschaftler wussten, dass es wahrheitsgemäß sein sollte, und wenn wir nicht genau wissen, was wahrheitsgemäß ist, dann deshalb, weil es viele Reorganisationen dieser Klassifikationen gab, weil es nicht so einfach ist, genau zu sagen, welche Arten näher verwandt sind als andere. Jede wahrheitsgemäße Klassifikation ist die genealogische Gemeinschaft der Abstammung, die unsichtbare Verbindung, welche die Naturforscher unbewusst gesucht haben, und nicht irgendein unbekannter Schöpfungsplan und das reine Zusammensetzen und Trennen von Objekten, die mehr oder weniger ähnlich sind. Er leitete also diese genealogische Abstammung der Tiere und Pflanzen von ihren Ähnlichkeiten ab und postulierte, dass sie einen gemeinsamen Ursprung hatten. Und dann hat er diese eine Abbildung in seinem Buch mit diesem Stammbaum. Dies ist der Endpunkt des Baumes. Leider kann ich Ihnen dies nicht zeigen. Dies sind also nun die neuen Arten, die heute existieren. Sie können sie irgendwie nach Ähnlichkeiten gruppieren, aber Sie wissen nicht genau, wie sie miteinander verwandt sind. Und dann hat er diesen wunderbaren Satz, "wenn jede Form, die jemals auf dieser Erde lebte, plötzlich wieder zum Vorschein käme, wäre eine natürliche Klassifikation möglich". Ich werde Ihnen das vollständige Diagramm zeigen, und dort haben Sie diese visionäre Idee, dass alles auf einen gemeinsamen Urahnen zurückgeht. Damals war diese Idee der Evolution natürlich höchst umstritten, aber in der Zwischenzeit hat sie weithin Anerkennung gefunden. Er stellte jedoch außerdem etwas fest, was in dem Kapitel, das ich Ihnen zuvor zeigte, angesprochen wurde, und das auch von anderen Biologen festgestellt wurde. Allerdings interpretierten sie es nicht richtig und wussten nicht, was es bedeutet, aber sie machten die Beobachtung, dass Tiere umso enger miteinander verwandt aussehen, wenn sie sich in einem möglichst frühen Stadium ihres Lebens befinden. Das klassische Beispiel kam von Karl Ernst von Baer bereits im Jahr 1823 oder so. Er beobachtete bei in Formalin eingelegten Embryos, dass man bei einem Embryo einen Hund nicht wirklich von einem Pferd unterscheiden konnte, da sie sich so ähnlich sahen. Darwin schloss aus dieser Ähnlichkeit bei den Embryonen, dass man sie in diesem Stadium am besten klassifizieren konnte. Man kann sagen, dass all jene, die sich sehr ähnlich sehen, miteinander verwandt sein müssen. Später jedoch, im späteren Verlauf der Entwicklung, sehen sie sehr unterschiedlich aus. Beispielsweise sieht eine Fledermaus ganz anders aus als ein Hund, aber ein Fledermaus-Embryo sieht einem Hunde-Embryo sehr ähnlich. In seinem nächsten Buch "The Descent of Man" zeigte er diese Abbildung, in der ein menschlicher Embryo mit einem Hunde-Embryo verglichen wurde und wies darauf hin, dass sie sich sehr ähnlich sahen. Das ist das, was wir gewissermaßen schon angeschnitten haben: Es gibt große Ähnlichkeiten in der frühen Entwicklung, aber ziemlich große Unterschiede in späteren Stadien des Lebens. Wenn Sie sich die Evolution anschauen, dann können Sie diese Ähnlichkeiten in der Embryonalentwicklung für die Klassifizierung nutzen, aber die Diversifikation ereignet sich in den späteren Stadien. Und die Selektion, die Darwin postulierte, war die treibende Kraft der Evolution. Die Selektion wirkt auf die adulten Tiere, nicht auf die Embryonen. Die Embryonen sehen sich ähnlich, da sich keine Selektion auf sie auswirkt. Sie müssen sich nicht selbst verteidigen, sie müssen nicht essen, sie müssen nicht kämpfen, die Mutter beschützt sie, sie müssen sich nicht viel verändern. Aber dann werden sie geboren, und nach der Geburt oder dem Schlüpfen aus dem Ei gibt es sehr viel Selektion, denn sie müssen alleine heranwachsen und überleben. Dieses Mittel der Variation und Selektion hat dann zu dieser immensen Ausbreitung der Diversifikation der Tierstämme geführt. Dies ist ein neuer (Stamm-)Baum, den ich Ihnen erläutere bzw. nicht wirklich erläutere, aber auf den ich angespielt habe und der bereits die Antwort auf Ihre Frage nach dieser gemeinsamen Entstehung der vielzelligen Tiere ist. Er teilt sich auf und Sie haben die Insekten auf einer und die Wirbeltiere, die Chordaten, auf der anderen Seite. Und Sie sehen auch sehr deutlich, dass der letzte gemeinsame Vorfahr der Insekten und der Wirbeltiere sehr grundlegend ist. Sie erwarten also einige grundsätzliche Ähnlichkeiten, aber auch große Unterschiede. Darauf werde ich zurückkommen. Morphologische Evolution basiert also auf der Variation, der Veränderung der Morphologie, der Veränderung der Morphologie durch die Mutation von Genen, welche die Gestalt und Funktion des Tieres bestimmen. Die Selektion bringt dann Individuen hervor, die irgendwie besser an die Umweltbedingungen angepasst sind. Im Durchschnitt haben sie häufig mehr Nachkommen, was langfristig zu der Veränderung der Form führen wird, und diese Mutationen, die vorteilhaft sind und ihnen helfen zu überleben, werden dann weitergeführt und andere werden eliminiert. Das Ziel der Selektion sind die adulten Formen. Die Embryo- und Larvenformen sind stärker konserviert. In der Entwicklungsbiologie und in dem, was ich während meiner Karriere studiert habe, nämlich der Entwicklung der genetischen Basis der Entwicklung von Drosophila, konzentrierten wir uns auf die frühen Stadien der Entwicklung. Viele Gene, die an den frühen Entwicklungsstadien und am Aufbau der grundlegenden Körperbaupläne von Insekten, Nematoden und Wirbeltieren beteiligt sind, kennen wir nun ziemlich genau. Diese Gene sagen uns jedoch nicht notwendigerweise viel darüber, warum später in der Entwicklung die Variation in der Form auftritt. Wenn Sie nämlich genetische Untersuchungen durchführen und die Gene bereits zu einem frühen Zeitpunkt in der Embryogenese aktiv sind, können Sie keine Mutation erhalten, die Sie auf Ihre Funktion bei den adulten Tieren hinweist. Sie bleiben daher im Wesentlichen unentdeckt. Daher sind die Gene, die für die Diversifikation der Formen der adulten Tiere erforderlich sind, nicht besonders gut bekannt und nicht besonders gut erforscht, und man kann vorhersagen, dass Fliegen nicht so viele haben, weil Wirbeltiere von ihnen in der Evolution so weit entfernt sind, dass vielleicht die Divergenz so groß ist, dass wir Fliegen nicht als Modell für die Morphologie adulter Wirbeltiere verwenden können. Wir müssen daher Wirbeltiere und die Genetik der adulten Strukturen bei Wirbeltieren direkt untersuchen. Das ist es, was wir taten, und zwar bei Fischen, im Wesentlichen tun wir es bei einer Art. Ich zeige Ihnen einfach dieses Bild, um es zu veranschaulichen - leider haben wir hier zu viel Licht, so dass Sie jetzt gewissermaßen ein wenig raten müssen. Aber Sie sehen diese enorme Vielfalt, die enormen Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Fischen. Es gibt heutzutage 40.000 Arten von Wirbeltieren, und die Hälfte davon sind Fische. Bei ihnen ist die Variation am größten - Sie sehen die Gestalt der Flossen und das Pigmentmuster und die enormen Unterschiede der Kiefer und Punkte und Streifen, und Sie sehen, dass es bei diesen morphologischen Mustern eine enorme Vielfalt gibt. Wenn Sie darüber nachdenken, ist eigentlich wirklich sehr wenig darüber bekannt, was die treibenden Kräfte sind, die diese Musterunterschiede verursachen. Und wenn Sie wissen möchten, was der Unterschied ist, müssen Sie zuerst lernen, wie das Muster selbst entsteht. Das ist es, was sich unser Labor zur Aufgabe gemacht hat, und wir konzentrieren uns nun auf zwei Dinge: Wir konzentrieren uns auf die Flossen und die Schuppen und auch auf das Pigmentmuster. Heute möchte ich meinen Vortrag darauf beschränken, was wir in Bezug auf die Pigmentmuster bei Fischen untersuchen. Dies ist ein sehr interessantes Gebiet, denn dasjenige, worauf dies letztendlich hinausläuft, ist das Verständnis der Evolution von Schönheit, weil es sich wirklich um sehr schöne Fische handelt. Wir wissen, dass sie nicht für uns, sondern für sich selbst, für die Erkennung von Verwandten, für die sexuelle Selektion schön sind, und natürlich auch für die Tarnung und um Beutetieren zu entkommen. Aber ein Großteil der Muster existiert tatsächlich, um andere Individuen derselben Art anzuziehen, und das ist es, was wir als Schönheit bezeichnen. Ich habe bereits erwähnt, dass der gemeinsame Ursprung der Wirbeltiere sehr weit unten ist, bei den Bilateria, den ersten Tieren, in deren Bauplan es ein Oben und Unten sowie vorne und hinten gab. Die Wirbeltiere gehen zurück auf die Chordaten, die vielleicht auf diesen Zweig auf der rechten Seite des Bildes zurückgehen. Die Spaltung ereignete sich hier, sehr weit unten, zwischen den Urmündern und den Neumündern. Übrigens beziehen sich alle diese verschiedenen Zweige, die Sie hier sehen, auf embryonale Strukturen. Lophotrochozoen haben zum Beispiel einen bestimmten Typus von Larvenform. Den Ringelwürmern und den Mollusken und den Häutungstieren ist gemeinsam, dass sie sich häuten müssen, um zu wachsen. Die Neumünder haben ein kontinuierliches Wachstum, und es gibt relativ spät in der Evolution eine Verzweigung, die sich in Stachelhäuter und Chordatiere aufspaltet. Die primitiven Chordaten traten, zusammen mit fast allen anderen Stämmen, den Tieren der grundlegenden Körperbaupläne der bestehenden Stämme, bereits in der kambrischen Revolution auf. Anfangs waren die Chordatiere ziemlich primitive Tiere und teilten den Körperbauplan der Chorda, der aus einem starren inneren Skelett besteht, um das sich der weiche Körper bildet. Dann haben Sie diese fünf neuen Klassen, Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere, und sie werden zunehmend komplexer hinsichtlich ihres Körperbaus. Sie erwerben all diese sehr unterschiedlichen Strukturen. Dieser Erwerb vollzog sich in der Evolution mit Hilfe einer Art Erfindung einiger embryologischer Prinzipien, und zwar erwarben sie die Neuralleiste und Placoid-Schuppen. Hierbei handelt es sich um embryologische Strukturen oder Organe, die bei wirbellosen Tieren nicht existieren. Sie rufen all diese Unterschiede, die enorme Vielfalt der äußeren Strukturen hervor, die Sie bei den neuen Klassen von Tieren sehen. Beispielsweise stammen alle Pigmentzellen aus der Neuralleiste. Die Schuppen stammen von Placoid-Schuppen ab, die Haare stammen von Placoid-Schuppen ab, dies sind Hautspezialisierungen. Diese Diversifikation, der Erwerb dieser reichen Formen, hängt von der Entwicklung der Neuralleiste ab, die sich ungefähr an folgender Stelle ereignete - ich glaube, ich habe - ja, dies ist das primitivste Chordatier. Es sind sehr einfache Tiere, aber in der späteren Evolution erwarben sie zuerst den Kopf mit dem Kiefer und dem Schädel, dann die Beine, Flügel und Arme und dann die äußeren Dekorationen wie Federn, Haare und Schuppen. Die Neuralleiste ist also - gibt es unter Ihnen Wirbeltier-Embryologen? Vielleicht nicht, vielleicht zwei oder drei. Wie auch immer - Sie kennen die Neuralleiste nicht, o.k. Es ist eine Struktur, die aus einer Population pluripotenter Zellen besteht, die höchst migratorisch sind. Sie entstehen an der Position zwischen der Epidermis und dem sich einrollenden Neuralrohr. Dann beginnen diese Zellen, aus dieser Region wegzuwandern. Sie bevölkern den Körper und rufen all diese verschiedenen Strukturen hervor, wie das periphere Nervensystem oder Pigmentzellen, den Kiefer, die Zähne, den Schädel, einige der Schädelknochen, Schnäbel und Hörner usw. usw. Und ohne diese Strukturen würden die Tiere sehr, sehr, sehr viel einfacher aussehen als sie heute aussehen. Wir müssen also auf die Entwicklung dieser Neuralleiste achten. Sie enthält gewissermaßen das Geheimnis der Diversifikation der Formen und der Morphologie der Wirbeltiere. Wie ich sagte, entstand sie vor ungefähr 450 Millionen Jahren, übrigens wahrscheinlich zur selben Zeit, als sich das adaptive Immunsystem herausbildete. Das könnte ein Zufall sein. Andererseits müssen Sie sehen, dass im Gegensatz dazu der Körperbauplan, wenn ich zu diesem primitiven Chordatier zurückgehe, das nur ein Innenskelett besitzt, einen Stab und dann einen weichen Körper, sich irgendwie selbst schützen musste. Die meisten Strukturen der Neuralleiste, auch die Haut, tragen dazu bei, das Äußere zu schützen, und machen die Haut und auch die Schuppen und die Pigmentzellen und damit die äußere Dekoration aller Wirbeltiere aus. Der Ursprung der Neuralleiste liegt also, wie ich sagte, in der Embryogenese, und dies ist nun ein frühes Stadium eines Zebrafisches (Zebrabärblings). Die frühen Stadien von Fischen sehen, wie Sie sich denken können, sehr ähnlich aus, und da ist nun der Zebrafisch. Sie sehen, dass hier der Kopf ist, und die gepunktete Struktur ist das zentrale Nervensystem und die dunkle Struktur ist die chorda dorsalis, das Notochord, das den Chordatieren den Namen gibt, der Stab, der die Körperachse stabilisiert. Dann haben Sie diese V-förmigen Somiten (Urwirbel/Ursegmente), welche die Vorläufer der Muskeln sind. Das kennen Sie, wenn Sie Fisch essen, Sie können es erkennen, wenn Sie eine Forelle essen. Wenn Sie Rücken- und Bauchseite trennen, gibt es eine horizontale Linie, die als horizontales Myoseptum bezeichnet wird und beide Seiten trennt. Dies ist eine wichtige Struktur, auf die ich zurückkommen werde. Die Neuralleiste entsteht an der Spitze des zentralen Nervensystems. Wenn man sich einen Querschnitt ansieht, kann man diese roten Zellen sehen. Dies sind Zellen aus der Neuralleiste. Die gepunkteten Zellen werden sich einstülpen, um das zentrale Nervensystem zu bilden. Die dunkle Struktur darunter ist das Notochord. Dies ist das zentrale Nervensystem. Die Zellen der Neuralleiste lösen sich dann sozusagen von ihrem Ursprung ab und wandern durch den Körper. Sie wandern auf zwei verschiedenen Pfaden. Der eine ist extern, unterhalb der Haut, und der andere ist intern, um das Notochord und die Gedärme herum. Sie lassen hauptsächlich Sinnesorgane, das periphere Nervensystem, Pigmentzellen - alle Pigmentzellen des Körpers - und Ganglien des Nervensystems entstehen. Die Fische sind möglicherweise die einfachste Form der Wirbeltiere, die wir untersuchen können, und sie haben eine Neuralleiste und der Neuralleiste entstammende Organe. Deshalb sind sie sehr gut geeignet, um das zu untersuchen. Sie haben noch andere Vorteile. Wir verwenden Zebrafische. Sie haben den Vorteil, dass sie einfach zu züchten sind und große Eier legen. Die Eier werden abgestreift und außerhalb des Körpers befruchtet. Sie sehen hier, dass die Eier ziemlich groß sind, hier sehen Sie zwei. Man kann die Entwicklung im lebenden Embryo mit sehr einfachen optischen Geräten beobachten. Einige von Ihnen arbeiten vielleicht mit Zebrafischen. Es ist leicht, Videoaufnahmen zu machen, und man kann mit Hilfe von Live-Videoaufnahmen über einen langen Zeitraum hinweg die Wanderung der Zellen durch den Körper verfolgen und beobachten, insbesondere dann, wenn man - dies wird morgen ausführlicher besprochen werden - sie mit fluoreszierenden Farben markiert, kann man einzelne Zellen verfolgen. Ich werde Ihnen dazu einige Bilder zeigen. Dies war nun die Einführung, die Gliederung meines Vortrags. Ich habe Ihnen erzählt, dass wir uns vornehmen, die Gene zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Unterschiede im Pigmentmuster des adulten Körpers wie auch der Schuppen und Flossen zu bewirken. Wir machen also genetische Untersuchungen direkt für die adulte Morphologie und hoffen, dass wir Gene identifizieren können, die exakt für diese Strukturen erforderlich sind. Das ist der eine Aspekt, über den ich nicht viel spreche. Ich möchte Ihnen nur einen Überblick geben, es geht für Sie zu sehr ins Detail. Dann werde ich aufgrund der begrenzten Zeit überspringen, was wir bezüglich der Hautknochen, nämlich der Schuppen, des Schädels und der Flossen untersuchen, und ich werde Ihnen ein wenig darüber erzählen, wie die Farbmuster bei den Zebrafischen entstehen. Farbmuster bei Fischen sind etwas, was man überaus faszinierend finden kann. Ich zumindest gehe gerne zu den Aquarien und studiere sie. Und man sieht, dass es einen sehr, sehr großen Reichtum an Farben und auch an Mustern gibt, obwohl man bei genauerem Hinsehen erkennt, dass die am weitesten verbreiteten Muster Streifen und Punkte sind. Die Streifen können entweder wie bei diesem Zebrafisch horizontal oder wie bei den meisten Fischen, die Sie hier sehen, vertikal sein. Aber dies ist eine zufällige Auswahl, wobei ich nicht weiß, ob sie zufällig ist, es ist einfach eine Auswahl. Dies hier ist ein Hecht - haben Sie schon einmal Hecht gegessen? Sie schwimmen im Bodensee und haben auch diese Streifen und wenn Sie Hecht essen, sehen Sie die Streifen auf der Haut. Und das ist eine Forelle. Sie könnten hier auch Forellen aus dem Bodensee essen. Aber Sie sehen, dass die Süßwasserfische aus dieser Gegend nicht besonders farbenfroh sind. Die farbenfreudigsten Fische stammen selbstverständlich aus den tropischen Ozeanen. Der Zebrafisch stammt nicht aus einem tropischen Ozean, sondern aus dem Ganges. Er ist ein Süßwasserfisch und nicht so farbenfroh, aber farbenfroh genug, und er hat hübsche Streifen. Er ist gleichmäßig gestreift. Die Streifen sind typisch für das adulte Muster, die Larven haben diese Streifen noch nicht. Sie sind gestreift, aber nicht im selben Muster. Dies gibt Ihnen einen Überblick über den Lebenszyklus, der Fische zu einem attraktiven Modell macht, um daran auch viele verschiedene Aspekte der Entwicklung zu untersuchen. Die Eier werden gelegt, und innerhalb von zwei Tagen ist die Entwicklung des Embryos abgeschlossen und die kleine Larve schlüpft, die im Großen und Ganzen einem Fisch wirklich sehr ähnlich sieht. Sie schwimmt und kann essen und hat Streifen. Allerdings hat sie nur sehr primitive Streifen, nämlich einen Rückenstreifen, einen seitlichen Streifen und einen Bauchstreifen. Während einer Phase im Alter von ungefähr drei bis vier Wochen erwerben die Fische in einem Prozess, den wir als Metamorphose bezeichnen, obwohl er bei Weitem nicht so dramatisch ist wie die Metamorphose bei Insekten, das adulte Muster. Danach bleibt das Streifenmuster unverändert und der Fisch wächst einfach weiter. Der adulte Fisch ist wunderhübsch gestreift und hat zwei verschiedene Streifen. Das, was hier blau erscheint, sind in Wirklichkeit schwarze Pigmentzellen, welche die Streifen bilden. Dazwischen sind gelbe Zellen, die gelbe Streifen bilden, und sie scheinen blau und weiß zu sein, da sich darunter eine Schicht von silbrigen Zellen befindet, die das Licht reflektieren. Deshalb wirkt dies hier blau und nicht schwarz. Die Larven haben also diese drei schwarzen Streifen, welche offensichtlich morphologischen Orientierungspunkten folgen, wohingegen die adulten Fische solche Streifen haben, die keinen morphologischen Orientierungspunkten folgen. Sie sind einfach regelmäßig gestreift. Sie richten sich vielleicht entlang des horizontalen Myoseptums aus, aber davon abgesehen, sind sie sehr regelmäßig hinsichtlich des Abstands. Es ist interessant, nachzuvollziehen, warum und wie diese Streifen entstehen. Wir haben nun diese Untersuchung durchgeführt. Diese Untersuchung galt der Genetik. Ich möchte nicht ins Detail gehen, denn ich denke, dass nicht alle von Ihnen Biologen oder Genetiker sind. Mutanten zu erzeugen, bedeutet, dass die Tiere mit Mutagenen behandelt werden, die ein verstärktes Auftreten von Mutationen in ihrem Genom zur Folge haben. Man behandelt die Männchen. Die Spermien werden nun refertilisiert und man schafft dann Inzucht-Familien und kreuzt sie miteinander, Bruder-Schwester-Paarungen. Nach ungefähr drei Generationen kann man homozygote Individuen erhalten, die homozygote Träger für eine bestimmte Mutation sind, und dann untersucht man die Phänotypen. In unserem Fall haben wir bei früheren Untersuchungen die Embryos überprüft und konnten 25 % als Mutanten identifizieren, wenn sie eine bestimmte Eigenschaft aufwiesen. Daraus leitete man dann ab, dass die Eltern heterozygot für diese bestimmte Mutation waren. Man kann sie auch heranwachsen lassen und sehen, ob man adulte Fische findet, die zu 25 % einen bestimmten Phänotyp aufweisen, und das taten wir. Wir isolierten eine recht große Anzahl adulter, erkennbarer Mutanten, bei denen die Fische überlebten und Änderungen ihrer Morphologie aufwiesen. Dies sind die Leute, die bei diesem Projekt involviert waren. Da Sie niemanden davon kennen, werde ich sie Ihnen jetzt nicht vorlesen. Hier haben wir nun wieder ein Bild von adulten Fischen. Weibchen und Männchen sind sich in hinsichtlich des Musters ziemlich ähnlich. Die Männchen sind ein wenig gelblicher. Die gelben Zellen haben eine gelbe Pigmentierung, aber der größte Unterschied ist tatsächlich die Körperform, die bei den Weibchen rundlicher als bei den Männchen ist. Sie sehen also, dass in diesem Fall das Pigmentmuster kein Ziel der sexuellen Selektion ist. Zwar haben wir es noch nicht getestet, aber es ist eindeutig, dass diese Fische Schulen bilden. Sie schwimmen gemeinsam, sie erkennen einander und sie bilden diese wirklich sehr großen Schulen. Und eng miteinander verwandte Fische - nun, ich habe Ihnen bereits erzählt, wie das Muster gebildet wird. Es ist sehr ungünstig, dass wir hier zu viel Licht haben, aber Sie sehen hier, dass es von diesen drei verschiedenen Typen von Pigmentzellen gebildet wird, und zwar von den schwarzen Melanophoren, den gelben Xanthophoren, die sich zwischen diesen schwarzen Streifen befinden, und den silbernen Iridophoren, die darunter liegen und den gesamten Körper bedecken. Leider können wir das hier nicht sehen. Es ist jedoch interessant, dass es hier eine ziemlich große Anzahl von Danios (Danio choprae, Rubinbärblinge) gibt. Zebrafische sind als Art relativ eng mit Danios verwandt, die anders als die Zebrafische nicht gestreift sind. Sie sehen völlig anders aus und besitzen dieselben Zelltypen, aber der Danio choprae hat Quer- und keine Längsstreifen. Diese Fische zwei verschiedener Arten paaren sich und bringen Hybriden hervor. Sie sind also ziemlich eng verwandt, aber sie haben ein ganz anderes Streifenmuster. Die grundlegende Frage, die wir uns stellen, lautet, wie man von hier nach dort gelangt und wie diese Streifenmuster entstehen. Diese Untersuchungen ergaben also eine große Anzahl von Mutationen. Die meisten davon untersuchten wir als beim Embryo sichtbare Mutationen, die also auch Auswirkungen auf das Farbmuster der Larven hatten. Einige sind allerdings auch spezifisch für das Streifenmuster der adulten Fische, einschließlich Sternchen, Obelisken und Leopard, die Sie hier unten sehen. Ich werde Ihnen die Phänotypen später zeigen. Ein Beispiel für eine einfache Farbmutation, eine Mutation der Pigmentierung ist der Albino, der einer der ersten Mutanten war, die für Zebrafische beschrieben wurden. Diese Mutation hat zur Folge, dass die Melanophoren ohne Pigmente bleiben. Dadurch sehen die Fische gelb aus, da nur die Xanthophoren pigmentiert sind und die Melanophoren unpigmentiert sind. Aber sie sind gestreift, Sie sehen, dass die schwarzen Streifen hier als weiße Streifen erscheinen. Können Sie das hier sehen? Man kann es kaum erkennen. Kürzlich klonte Chris Dooley im Labor dieses Gen und fand heraus, dass es einen SLC-Transporter kodiert, der Teil einer überaus großen Familie von Proteinen ist, die für den Transport in Vesikel benötigt werden. Wir wissen nicht, was er transportiert, aber für unsere Zielsetzung ist das auch nicht besonders interessant. Die Mutation bewirkt jedoch, dass die Melanosomen, welche die Organellen sind, die das schwarze Pigment, das Melanin, tragen, beinahe leer sind. Sie haben nur winzig kleine Flecken von Melanin, sind aber nicht gefüllt. Und es gibt eine andere Mutation, die "golden" genannt wird und bei der einfach weniger Melanin in diesen Melanosomen vorhanden ist. In diesem Fall sind die Fische einfach blasser als mein Typ. Dabei wird auch ein SLC-Transporter kodiert. Interessant ist daran, dass genau diese zwei Gene für den SLC-Transporter in einer Untersuchung der Varianz in der menschlichen Population identifiziert wurden, bei der es darum ging, welche Gene variieren oder wo man eine bestimmte Selektion eines bestimmten Allels in bestimmten menschlichen Populationen findet. In diesem Fall, dem Fall der Albinos, hat das menschliche Homolog dieses Gens zwei Allele, und Sie sehen, dass eines davon, nämlich das schwarz markierte Allel, hauptsächlich bei europäischen und vorderasiatischen Populationen ausgeprägt ist, während andere Stämme auf der Welt das anzestrale Allel haben. Zufälligerweise gibt es nur drei solcher Gene, bei denen die Präferenz eines bestimmten Allels in bestimmten Gebieten der menschlichen Population nachgewiesen wurde. Das eine ist "Albino", das andere ist "golden" - dies nannte ich Ihnen bereits - und das dritte ist "EDAR" (Ectodysplasin-A-Rezeptor). Das ist ein Rezeptor, der an der Haarbildung und bei Fischen an der Bildung von Schuppen beteiligt ist. Genau genommen, haben wir ihn in unserer Untersuchung identifiziert. Dies ist ziemlich interessant, denn es sagt uns, dass in diesem Fall der Zebrafisch vielleicht einige Elemente für die menschliche Evolution besitzt. Und es ist irgendwie verblüffend, dass von den wenigen Genen, die bei der menschlichen Evolution eine Rolle gespielt haben, sie auch für die Fische relevant sind. Somit komme ich nun zurück zu Ursprung und Entwicklung des Pigmentmusters. Ich erwähnte bereits, dass unsere Pigmentzellen von der Neuralleiste stammen, und ich habe Ihnen schon dieses Bild gezeigt, auf dem die Zellen der Neuralleiste sich an dieser bestimmten Stelle, an der die Epidermis und die sich einstülpende Neuralplatte nebeneinander liegen, ablösen und durch den Körper wandern. Für das Muster der Larven haben wir nun Mutationen, bei denen einige der Pigmentzellen fehlen. Sie haben Auswirkungen auf die Zellen der Neuralleiste. Dies ist eine der klassischen Mutationen, farblos, sie kodiert einen Transkriptionsfaktor namens SOX-10. Bei dieser Mutation fehlen alle von der Neuralleiste stammenden Pigmentzellen, und diese Fische sind vollkommen weiß, mit Ausnahme der Augen, die zwar Pigmentzellen besitzen, jedoch nicht aus der Neuralleiste stammen. Es handelt sich also um eine Art von pan-Neuralleisten-Marker. Ich habe keine Zeit, Ihnen das zu erklären, aber wenn Sie den Promotor von SOX-10 nehmen und einen Marker, ein Reporter-Gen für GFP (grün fluoreszierendes Protein) unter die Kontrolle dieses Promotors des SOX-10-Gens stellen, dann können Sie alle Zellen, die SOX-10 exprimieren, grün markieren. Und dann sehen Sie hier - oh, das tut mir so leid, es ist schwierig zu erkennen - aber Sie können sehen, dass die grünen Zellen die Zellen sind, die SOX-10 exprimieren, und Sie sehen diese Ströme, segmentären Ströme, wo sie gewissermaßen durch den Körper wandern. In einem Transfer-Abschnitt sehen Sie, dass einige nach außen und einige nach innen wandern. Und das nächste Dia sollte Ihnen hoffentlich zeigen, dass Sie, wenn Sie den Embryo herumdrehen, diese Ströme von wandernden, frühen Neuralleisten-Zellen sehen können. Einige bleiben an der Spitze. Die weißen Zellen sind zufällig für ein Gen markiert, das das zentrale Nervensystem markiert. Auf dem Dia ist es viel schöner, aber diejenigen unter Ihnen, die ein sehr großes Interesse haben, können kommen und es sich ansehen. Ein anderer Marker ist dieses Gen, das in der Tat in allen Melanophoren exprimiert wird, es wird MITF genannt und ist ebenfalls ein Transkriptionsfaktor. Hier sehen Sie sehr schön diese Ströme von Zellen der Neuralleiste, die von der dorsalen Erhöhung des Nervensystems durch den ganzen Körper wandern. Und Sie sehen ein Muster, Sie sehen, dass sie in jedem Segment so etwas wie Zellgruppen bilden, und diese Zellen werden vermutlich später zu Stammzellen für das Pigmentmuster des adulten Tieres. Sie sehen außerdem etwas sehr Schönes. Sie sehen einen Nerv mit seinen Gliazellen, welche die Seitenlinie bedecken und nun von hier kommen, hier entlang wandern. Und dies ist der Nerv des Seitenlinienorgans, der die Gliazellen entlang zieht und später das Nervengewebe, das Sinnesorgan für die Mechanorezeptoren bilden wird, mit der Fische beim Schwimmen die Druckwellen wahrnehmen. Ein anderes Gen, von dem wir festgestellt haben, das es an der Bildung des Pigmentmusters beteiligt ist, ist pUC 7. Es markiert für uns die Xanthophoren, diese gelben Zellen, und in diesem Fall wandern die Vorstufen der Xanthophoren nur entlang der äußeren Route und nicht entlang der inneren Route. Sie können wiederum mit Hilfe eines Zeitrafferfilms diesen wandernden Pigmentzellen folgen. Die Streifen der Larven entstehen also anscheinend aus den verschiedenen Zellen der Neuralleiste, die einfach zu ihrem Ziel wandern und diese Streifen bilden, den seitlichen und den Bauchstreifen, und sich an den morphologischen "Landmarken" sammeln. Entweder bleiben sie bei der Neuralleiste oder sie sammeln sich entlang des Seitenstreifens oder wandern zur Bauchseite. Die adulten Streifen entwickeln sich hingegen auf andere Art und Weise. Den exakten Zeitrahmen und auch die Herkunft kennen wir noch nicht, aber wir wissen, dass zur Zeit der Metamorphose neue Melanophoren erscheinen, die irgendwie aus dem Inneren des Fischs auftauchen und sich längs zwischen diesen Streifen ausrichten. Nach ungefähr fünf Wochen zeigen sich die Xanthophoren-Streifen und trennen die schwarzen Streifen entlang des horizontalen Myoseptums. Später habe ich ein besseres Foto. Es tut mir so leid, dass Sie es bei der Beleuchtung nicht so schön sehen können, wie es dargestellt ist. Es gibt also einige grundlegende Fragen. Wir sind nun ziemlich gut darüber informiert, wie die frühen Streifen entstehen, aber wir wissen nicht, wo die Zellen für die adulten Streifen herkommen. Es muss irgendwelche Stammzellen geben, denn die Neuralleiste ist längst verschwunden, wenn diese Streifen, die adulten Steifen sich bilden. Die Neuralleiste ist eine Übergangsstruktur, sie existiert nicht mehr. Daher müssen wir die Frage stellen, wo die Stammzellen sind, woher diese späteren Pigmentzellen kommen und wie sie wandern, und wie sie sich in diesem artspezifischen Muster unter der Haut anordnen, in Streifen bei Zebrafischen, bei Danio-Arten in Punkten oder in Querstreifen. Ich möchte Ihnen nur erzählen, was unserer Meinung nach passiert, denn ich kann nicht die ganzen Beweise durchgehen, dafür ist die Zeit zu knapp. Wir glauben, dass die Stammzellen für die Chromatophoren sich sammeln und mit den Strukturen des peripheren Nervensystems, das ebenfalls eine von der Neuralleiste stammende Struktur ist, verbinden. Diese werden pro Segment zugewiesen, und Sie haben bereits in diesen Filmen gesehen, dass es da diese Punkte gibt, für jedes Segment und dann entlang der Seitenlinie, und das ist eine Art Gitter für die verschiedenen Orientierungspunkte entlang der Achse des Fischkörpers. Wahrscheinlich ist dies bei allen Fischen so, zumindest, soweit wir sagen können, bei den Karpfenfischen, die mit mehreren Fischen verwandt sind. Die letztendliche Bildung der Streifen hängt wahrscheinlich von der subtilen Interaktion der Zellen untereinander ab, sobald sie einmal an der Oberfläche sind. Der Beweis dafür sind diese Pfade, auf die ich bereits hinwies. Die grünen Punkte sind die Vorstufen für die Melanophoren und die roten Punkte sind die Vorstufen für das periphere Nervensystem. Wir finden eine enge Verbindung zwischen diesen Zelltypen. Daher glauben wir, dass dies der Ort ist, wo sich die Stammzellen am peripheren Nervensystem befinden. Ich werde das überspringen, denn ich kann es nicht wirklich gut veranschaulichen. Dies zeigt Ihnen wiederum, wie sich während der Metamorphose der gelbe Streifen am horizontalen Myoseptum bildet und den Dorsalstreifen und eventuelle schwarze Streifen trennt - das ist also der Nachweis für den ersten Streifen, für das Streifenmuster hier. Wir glauben, dass die Seitenlinie tatsächlich den Orientierungspunkt für diese erste Streifenbildung durch die Xanthophoren darstellt. Die Beweise sind wiederum schwierig zu erläutern und ich möchte Ihnen einfach noch einmal die Seitenlinie veranschaulichen. In diesem ersten Film des MITF haben Sie gesehen, wie die grünen Zellen an dieser Seitenlinie entlang wanderten. Das ist wieder eine weitere Färbung der Seitenlinienglia entlang des horizontalen Myoseptums, und dann führt dies schließlich zu diesen Sinnesorganen, die sich an der Seite des Fisches befinden und in diesen Haarbündeln, die Sie aus der Haut herausragen sehen, mechanische Stimuli wahrnehmen. Wir denken, dass diese Seitenlinie eine Markierung, eine morphologische Landmarke für die Herkunft der Pigmentzellen ist. Ich zeige Ihnen jetzt zum Spaß einen Film, in dem die rotgefärbten Flecken die Axone, die Nerven sind, die entlang der Seitenlinie wachsen, und die Gliazellen sind die grünen Zellen, die diesem Nerv folgen. Dieser Film wurde von Darren Gilmour gedreht, während er als Postdoc in meinem Labor arbeitete. Das soll nur verdeutlichen, dass es entlang des Fischs eine sehr auffällige Struktur gibt, die vielleicht auch mit der Herkunft des Pigmentmusters zu tun hat. Wir haben also eine Anzahl von adulten lebensfähigen Mutationen, welche die Streifenbildung beeinflussen. Hier sehen Sie wieder den Y-Typ, oben links, dann haben wir einen Mutanten, der "spärlich" genannt wird und bei dem eine ziemlich starke Reduktion der Melanophoren vorliegt, und eine "Pfeffer" genannte Mutation, bei der es keinerlei Xanthophoren gibt und welche bewirkt, dass die Melanophoren sich in ein Pfeffer-und-Salz-Muster auflösen. Dann haben wir eine Mutation "schattig", bei der es keine Iridophoren gibt und die Fische außerdem keine Streifen haben. Eine andere Mutation ist "Leopard": die Streifen werden zu Punkten, aber wir haben beide Zelltypen, die Xanthophoren und die Melanophoren. Wir haben noch weitere Mutationen, wie zum Beispiel "Perlmutt", wo alle Melanophoren fehlen, es gibt nur gelbe Zellen und keine sehr regelmäßigen Streifen. Dies sind Vergrößerungen, die ich Ihnen erspare, weil Sie die Details nicht wirklich sehen können. Trotzdem: Der wichtige Punkt ist, dass, wann immer einer der Zelltypen fehlt, die anderen keine Streifen bilden können. Im Fall von "Perlmutt" haben wir nur Xanthophoren - sie können keine richtigen Streifen bilden. Im Fall von "Pfeffer" haben wir nur Melanophoren - und auch diese können nicht die richtigen Streifen bilden. Wir können ein Experiment durchführen, was man bei Zebrafischen sehr einfach vornehmen kann. Man transplantiert Zellen aus einem Y-Typ in einen Mutanten oder von einem Mutanten A zu einem Mutanten B und erschafft Chimären, bei denen manche der Zellen einen anderen Genotyp haben. Man bekommt ein interessantes Ergebnis, nämlich, dass die Streifen wieder gebildet werden können. Dies hier soll nur zeigen, was passiert, wenn man Y-Typ-Zellen in einen Albino-Fisch transplantiert. Man bekommt diese Querstreifen, was bedeutet, dass die Spenderzellen schwarze Zellen herstellen, die sich wie erwartet in das Streifenmuster einfügen. Und wenn Sie jemals Zellen eines "Perlmutt"-Embryos, der keine schwarzen Zellen hat, in ein Empfänger-Embryo verpflanzen, der keine gelben Zellen hat, dann können beide nicht richtige ... bilden - nein, Verzeihung, wenn Sie Zellen eines Y-Typs transplantieren - in diesem Fall sind die Melanophoren farblos, denn es ist ein Albino - und dies in einen Rezipienten transplantieren, der keine Xanthophoren hat, dann können die Albino-Xanthophoren in diesem Hintergrund normale Streifen bilden. Das heißt, dass es eine Interaktion zwischen den Melanophoren und den Xanthophoren gibt, um Streifen entstehen zu lassen. Wir können das mit allen möglichen Zellkombinationen durchführen und Rückschlüsse ziehen. Dies ist der Fall, bei dem man Melanophoren in einen Fisch transplantiert, der keine Xanthophoren hat, und auch hier bilden sie in dieser Region, wo die transplantierten Zellen hingelangen, richtige Streifen. Das deutet darauf hin, dass eine enge Interaktion zwischen den verschiedenen Zelltypen erforderlich ist, um diese Streifen zu bilden. Wir kennen die molekulare Natur dieser Interaktion noch nicht, aber das ist sozusagen die "große Frage", die sich uns momentan stellt. Und das ist das Experiment für die Iridophoren, was hier schwierig zu sehen ist, aber wenn es keine Iridophoren gibt, können die anderen Zellen auch keine Streifen bilden. Und Sie können das Muster durch Transplantation wiederherstellen. Die Schlussfolgerung lautet also, dass die Bildung des Musters eine Interaktion aller drei Zelltypen verlangt und dass es eine Kurzstrecken-Interaktion zwischen diesen Zellen bedeutet. Wir wissen nicht, welche Gene beteiligt sind. Wir haben Mutationen, bei denen diese Streifen nicht regelmäßig gebildet werden. Ich habe Ihnen eine gezeigt, die Flecken zur Folge hat. Wir wissen auch, und das ist das Interessanteste, dass es andere Mutationen gibt, bei denen das Muster auf verschiedene Arten und Weisen mehr oder weniger unregelmäßig ist. Und wir analysieren jene nun auf der molekularen Ebene, um herauszufinden, welche Gene und Proteine an dieser Interaktion zwischen diesen Zelltypen beteiligt sind. Dies hier sind noch einmal Zebrafische, zwei eng verwandte Arten: eine mit einem sehr unregelmäßigen Streifenmuster und diese andere mit dem Querstreifenmuster. Um zum Schluss zu kommen - die grundlegende Frage, die wir beantworten möchten, ist folgende: Wir möchten wissen, welche Gene an diesen Unterschieden beteiligt sind. Und ich glaube, dass an dieser Stelle die genetische Grundlage der morphologischen Evolution ihre Antworten, einige Antworten finden wird. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.