Moleküle zum "Aus-der-Haut-Fahren"

Jene Moleküle, die als Grundlage für die Häutung von Insekten und Krebstieren dienen, sind im Tierreich weit verbreitet und haben ihren Ursprung bereits in der Frühzeit des Stammbaums. Eine Gruppe von Forscher*innen um Andreas Wanninger von der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien zeigt jetzt, dass nicht nur jene Tiere diese Moleküle besitzen, die sich tatsächlich häuten, sondern auch solche, die keine so drastische körperliche Entwicklung durchleben. Auch bei diesen sind die Häutungsmoleküle besonders in Phasen der Veränderung aktiv. Die Studie erscheint in Current Biology.

Die Häutung, bei welcher ein starrer Panzer abgeworfen und durch eine neue Außenhülle ersetzt wird, ist essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Insekten und Krebstieren, die daher oft als "Häutungstiere" bezeichnet werden. Bereits im vergangenen Jahr konnte die Arbeitsgruppe um Andreas Wanninger vom Department für Evolutionsbiologie der Fakultät für Lebenswissenschaften zeigen, dass die daran beteiligten molekularen Komponenten nicht erst im Zuge der Evolution der Häutungstiere entstanden, sondern im Tierreich weit verbreitet sind und daher ihren Ursprung bereits in der Frühzeit des Stammbaums der Tiere gehabt haben müssen.

Auch Nicht-Häutungstiere haben Häutungsmoleküle
In ihrer aktuellen Studie gingen die Forscher*innen nun der ursprünglichen Funktion dieser Moleküle auf den Grund. "Da sich zahlreiche Tiergruppen wie Mollusken (Schnecken, Tintenfische, Muscheln und deren Verwandte), Anneliden (Borsten- und Ringelwürmer), Echinodermaten (Seeigel, Seegurken, etc.) und viele andere im Laufe ihres Lebens nicht häuten, stellte sich für uns die Frage, welche Funktionen die klassischen Häutungsmoleküle bei diesen Tieren haben", erläutert Wanninger.

Häutungskomponenten während Entwicklungsphasen aktiv
Um mehr über die Funktionen dieser Moleküle zu erfahren, haben die Forscher*innen die Aktivität der entsprechenden Gene im Lauf der Entwicklung bei einer Reihe von Tieren untersucht. "Dabei zeigte sich überraschenderweise, dass Häutungsfaktoren immer dann überproportional aktiv sind, wenn von einem wichtigen Entwicklungsstadium in ein anderes gewechselt wird", sagt Erstautorin Elisabeth Zieger.

Denn auch viele Tiergruppen, die sich nicht häuten, erfahren eine drastische Umwandlung ihres Körpers in Form einer Metamorphose. Bei sich indirekt entwickelnden Tieren ist das beispielsweise der Zeitraum der Metamorphose, also die Umwandlung vom Larven- zum Juvenilstadium. Bei Tieren mit direkter Entwicklung sind die Häutungsfaktoren hingegen bei der Geburt bzw. dem Schlupf aus dem Ei aktiv. "Das Spannende dabei ist, dass sich in all diesen – oft nur entfernt miteinander verwandten Tiergruppen – die gleichen Häutungskomponenten finden und diese im Lauf ihrer Entwicklung Phasen erhöhter Aktivität aufweisen", so Zieger weiter.

"Wir gehen also davon aus, dass die Häutungsfaktoren an der Umstellung auf juvenile bzw. adulte Anforderungen bezüglich Physiologie, Fortbewegung und Verhalten beteiligt sind, und dies deren ursprüngliche Funktion darstellt", konkludiert Zieger. Der Schlupf sowie die Metamorphose katapultieren einen Organismus mehr oder weniger drastisch in einen Zustand, der völlig neue Anforderungen an seine Sinnesleistungen, Ernährung und Fortbewegung stellt. So gehen marine wirbellose Tiere oft von einem frei schwimmenden Larvenstadium zu einer schreitenden (z.B. Garnele), kriechenden (z.B. Seeigel, Schnecke), grabenden (manche Borstenwürmer und Muscheln) oder festsitzenden (z.B. einige Muscheln) Lebensweise über, während sich viele Insekten nach einem flugunfähigen Larvenstadium in die Lüfte erheben.

"Offenbar verhält es sich so, dass die Komponenten, die hunderte Millionen Jahre später im Lauf der Evolution der Häutungstiere für den Wechsel der Außenhülle von Bedeutung wurden, bereits in der Frühgeschichte der Tiere wichtige Regulatoren beim Übergang zwischen solchen Entwicklungsstadien waren", erklärt Wanninger. Auch wenn die exakten Rollen, die die einzelnen Faktoren in diesem Szenario innehaben, noch ungeklärt sind, sei ist es doch höchst bemerkenswert, dass sie offenbar seit über einer halben Milliarde Jahren zusammenwirken, um vergleichbare entwicklungsbiologische Vorgänge höchst unterschiedlicher Tierarten zu regulieren.

Publikation in Current Biology:
Zieger, Elisabeth et al.: "Ancestral role of ecdysis-related neuropeptides in animal life cycle transitions". Current Biology, 2020.
DOI: 10.1016/j.cub.2020.10.004