Neue Erkenntnisse zum Ursprung des Kiefers bei Wirbeltieren

Eine regulatorische DNA-Sequenz in kiefertragenden Wirbeltieren markiert die Zellen des Kiefergelenks (Magenta) auf dem Hintergrund der Blutgefäße (Grün) im Kopf lebender Zebrafischlarven. (Credits: Photo / image: Laura Waldmann)
Eine regulatorische DNA-Sequenz in kiefertragenden Wirbeltieren markiert die Zellen des Kiefergelenks (Magenta) auf dem Hintergrund der Blutgefäße (Grün) im Kopf lebender Zebrafischlarven. (Credits: Photo / image: Laura Waldmann)

Forscher der Uppsala University haben eine DNA-Sequenz entdeckt und charakterisiert, die in Kiefermäulern wie Haien oder Menschen vorhanden ist, aber in kieferlosen Wirbeltieren wie Neunaugen fehlt. Diese DNA-Sequenz ist wichtig für die Gestaltung der Gelenkoberflächen während der embryonalen Entwicklung.

Der Großteil der heute lebenden Wirbeltierarten, darunter Menschen, gehört zur Gruppe der Kiefermäuler. Die Entwicklung von artikulierenden Kiefern bei der Evolution der Wirbeltiere war einer der entscheidendsten evolutionären Übergänge von kieferlosen zu kiefertragenden Wirbeltieren und fand vor mindestens 423 Millionen Jahren statt. Der Unterkiefer und der Oberkiefer waren anfangs durch das Hauptkiefergelenk verbunden. Allerdings bewegte die Evolution der Säugetiere dies hin zum Mittelohr, um das Hörvermögen zu verbessern und wurde durch das sekundäre Kiefergelenk ersetzt – so ist der Mensch heute gebaut.

Das Hauptkiefergelenk wird während der embryonalen Entwicklung gebildet und besitzt ein aktives Gen, das Sequenzinformationen für ein bestimmtes Protein enthält: den Transkriptionsfaktor Nkx3.2. Man hatte lange Zeit vermutet, dass dieses Protein eine wichtige Rolle bei der Entwicklung dieses Kiefergelenks spielt, aber vorher war nur wenig darüber bekannt, wie seine Genaktivität in den Zellen des Kiefergelenks reguliert wird.

Typischerweise werden Gene mit der Hilfe von DNA-Sequenzen aktiviert, die keine Gensequenzinformationen enthalten. Darüber hinaus kann eine derartige “regulatorische” DNA zur Aktivierung der Gene nur in einem bestimmten Zelltyp beitragen und kann in verschiedenen Tierarten erhalten sein.

“Wir durchsuchten die Gensequenzen vieler verschiedener Wirbeltierarten und fanden die DNS-Sequenz nahe des Nkx3.2-Gens nur in Kiefermäulern, nicht in kieferlosen Wirbeltieren. Als wir diese DNA-Sequenzen von Kiefermäulern in Zebrafisch-Embryos injizierten, waren sie in den Zellen des Kiefergelenks alle aktiviert. Die Tatsache, dass ihre Fähigkeit zur Aktivierung mehr als 400 Millionen Jahre erhalten blieb, zeigt, wie wichtig sie für Kiefermäuler ist”, sagte Tatjana Haitina, die Leiterin der Studie von der Uppsala University.

“In Experimenten löschten wir die neu entdeckte DNA-Sequenz aus dem Zebrafisch-Genom mittels der CRISPR/Cas9-Technik und sahen, dass die frühe Aktivierung des Nkx3.2-Gens reduziert war, was Defekte bei der Form des Kiefergelenks verursachte. Es stellte sich heraus, dass diese Defekte später repariert wurden, was dafür spricht, dass es weitere regulatorische DNA irgendwo in dem Genom gibt, welche die Aktivierung des Nkx3.2-Gens kontrolliert und die darauf wartet, entdeckt zu werden”, sagte Jake Leyhr, ein Doktorand und Mitglied des Teams.

Die Wissenschaftler hoffen, dass ihre Entdeckung ein wichtiger Schritt ist, um den Prozess hinter den Ursprüngen der Wirbeltierkiefer letztendlich zu verstehen. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen Genome Engineering Zebrafish und BioImage Informatics des SciLifeLab durchgeführt.

Quelle

(THK)

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