Die Formen von Schnäbeln und Schnauzen sind außerordentlich vielfältig und spiegeln die Anpassung von Vögeln und Säugetieren an unterschiedliche Lebensräume wider. Trotz dieser Unterschiede nutzen beide Gruppen ähnliche genetische Programme für die Gesichtsbildung. Eine neue Studie zeigt nun, wie diese Vielfalt entsteht: nicht durch neue Gene, sondern vor allem durch Unterschiede in deren Regulation.
Gemeinsamer Bauplan – unterschiedliche Ausprägung
Während der Embryonalentwicklung steuern sogenannte Signalzentren das Wachstum des Gesichts. Diese „Entwicklungsorganisatoren“ senden Signale an umliegende Zellen und geben vor, wo und wie Gewebe entsteht. Viele der beteiligten Signalmoleküle kommen sowohl bei Vögeln als auch bei Säugetieren vor – ein Hinweis auf einen konservierten Bauplan.
Die zentrale Frage lautet daher: Wie entstehen trotz gleicher Grundlagen so unterschiedliche Gesichtsformen?
Genregulation als Schlüsselmechanismus
Die Forschenden zeigen, dass vor allem Veränderungen in nicht-kodierenden DNA-Bereichen entscheidend sind. Diese fungieren als regulatorische Schalter und bestimmen, wann und wo Gene aktiv sind.
„Während der Embryonalentwicklung werden viele Gene wiederholt in verschiedenen Geweben als auch Entwicklungsstadien genutzt“, sagt Dr. Markéta Kaucká. „Wenn man das Gen selbst verändert, besteht die Gefahr, viele Prozesse und Körperteile gleichzeitig zu beschädigen. Wenn hingegen die regulatorischen Elemente, die steuern, wo und wann ein Gen genutzt wird, modifiziert werden, so kann die Evolution gezielt einzelne Merkmale, wie das Gesicht, umformen, ohne den gesamten Organismus zu beeinträchtigen.“
Damit verändert die Evolution nicht die genetischen „Werkzeuge“ selbst, sondern deren Einsatz im Entwicklungsprozess.
Wichtige Rolle des Mesenchyms
Neben den Signalzentren identifizierte das Team eine weitere wichtige Ebene: das Gesichtsmesenchym. Diese Zellen reagieren auf Signale, wandern an die richtige Position und entwickeln sich etwa zu Knochen- und Knorpelstrukturen des Schädels.
„Diese Zellen führen beispielsweise später zu der Bildung von Knorpel und Knochen, die wiederrum als zentrale Elemente des Schädels agieren und maßgeblich für die Form des Gesichts verantwortlich sind. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Vielfalt an Gesichtern nicht nur davon abhängt, wie Signale erzeugt werden, sondern auch davon, wie sie von anderen Zellen wahrgenommen werden“, sagt Erstautorin Stella Kyomen.
Parallelen zur menschlichen Gesichtsvariation
Interessant ist auch der Bezug zum Menschen: Viele regulatorische DNA-Abschnitte, die in der Studie identifiziert wurden, überschneiden sich mit Genomregionen, die beim Menschen mit Unterschieden in der Gesichtsform verbunden sind.
„Das deutet darauf hin, dass dieselben regulatorischen Mechanismen, die die Evolution nutzt, um Vielfalt zwischen Arten hervorzubringen, auch zur Variation innerhalb unserer eigenen Art beitragen“, sagt Stella Kyomen.
Dr. Axel Visel ergänzt: „Das sind faszinierende Daten, da sie zeigen, dass Gene zwar den Bauplan liefern, es aber die regulatorische Landschaft ist, welche bestimmt, wie diese Information genutzt werden. Durch die Integration artspezifischer epigenetischer Daten können wir nun die umfassenderen konservierten Mechanismen identifizieren, die die Gesichtsvielfalt bei Wirbeltieren prägen.“
Neue Datenbasis für die Forschung
Die Studie stellt zudem umfangreiche Datensätze zur Genexpression und Genregulation in sich entwickelnden Gesichtsgeweben bereit. Diese sind öffentlich zugänglich und sollen die Forschung zur kraniofazialen Entwicklung weiter voranbringen.
„Die Erstellung einzelzellbasierter epigenetischer Daten, insbesondere aus Gesichtsgeweben des Huhns, wird eine wichtige Ressource für die Erforschung kraniofazialer Evolution sein“, sagt Dr. Laura Cook.
Damit liefert die Arbeit eine wichtige Grundlage, um die evolutionären Mechanismen hinter der Vielfalt tierischer – und auch menschlicher – Gesichtsformen besser zu verstehen.
Quelle: Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie
kcl
