#Schuppen in Federn verwandelt

„Drahtzieher-Genen“ auf der Spur: Forscher haben gezeigt, dass sich die Schuppen an Hühnerfüßen durch die Beeinflussung eines Gens mit Signalfunktion in Federn verwandeln lassen. Dieses Ergebnis kann Licht auf die Grundlagen der körperlichen Unterschiede zwischen Tierarten und auf Mechanismen der Evolution werfen, erklären die Wissenschaftler.

Wie entsteht aus einer befruchteten Eizelle ein Lebewesen mit den typischen Merkmalen seiner Art? Noch immer wirkt die Embryonalentwicklung wie ein Wunder und die zugrundeliegenden Prozesse geben Wissenschaftlern noch viele Rätsel auf. Klar scheint: Bei der Gestaltung der Körperformen und Strukturen sind regulatorische Systeme am Werk, die von bestimmten Genen gesteuert werden. Im Lauf der Evolution führten Veränderungen dieser Systeme dabei zur Bildung neuer Arten und zu strukturellen Neuentwicklungen. Oft gingen diese „Erfindungen“ dabei aus älteren Strukturen hervor. Man geht davon aus, dass dies auch bei den Hautanhangsgebilden der Wirbeltiere aus dem Baustoff Keratin der Fall war: Stacheln, Haare und Federn sind demnach Weiterentwicklungen von Schuppenstrukturen, die zuvor bei den Reptilien entstanden sind.

Wie wird die Entwicklung reguliert?

Die Bildung der unterschiedlichen Hautanhangsgebilde geht dabei auch auf ähnliche Grundprozesse während der Embryonalentwicklung zurück: Sie entwickeln sich aus Zellen, die eine lokale Verdickung auf der Hautoberfläche erzeugen und in denen bestimmte Gene aktiv sind, die letztlich zur Entstehung von Schuppe, Haar oder Feder führen. Bisher ist allerdings unklar, welche Steuerungsprozesse zur Aktivierung dieser Programme führen. Mit dieser Frage beschäftigt sich eine Forschergruppe an der Universität Genf. In der aktuellen Studie richtete sich der Fokus der Wissenschaftler dabei auf eine möglicherweise wichtige Erbanlage: Von dem Gen namens Sonic Hedgehog (Shh) ist bereits bekannt, dass es an der Regulation von embryonalen Entwicklungsprozessen beteiligt ist.

Um seine mögliche Rolle bei der Bildung von Hautanhangsgebilden zu untersuchen, führten die Wissenschaftler Untersuchungen an Hühnerembryos als Modell durch. Für die Experimente mit den sich entwickelnden Wesen im Ei setzten die Wissenschaftler eine Technik namens „egg candling“ ein. Dabei wird die Schale so stark durchleuchtet, dass die inneren Strukturen sichtbar werden – so auch die Blutgefäße. „Dadurch konnten wir die Hühnerembryos präzise mit einem Wirkstoff behandeln, indem wir ihn direkt in den Blutkreislauf injizierten“, sagt Erst-Autor Rory Cooper von der Universität Genf. Wie die Forscher erklären, handelte es sich bei der Substanz um einen sogenannten Agonisten – ein Molekül, das gezielt die genetische Aktivität des Shh-Gens verstärken kann.

„Feder-Programm“ dauerhaft aktiviert

Die Ergebnisse der Behandlung zeigen, dass sie während einer bestimmten Phase der Embryonalentwicklung zur Aktivierung eines Signalweges mit deutlichem Effekt führt: Statt der Schuppen, die normalerweise die Füße von Hühnern bedecken, bildeten sich durch die Manipulation des genetischen Steuerungssystems Federstrukturen aus. Diese experimentell erzeugten Daunen-Federn waren dabei mit denjenigen vergleichbar, die den Rest des Körpers bedecken, berichten die Wissenschaftler. Wie sich zeigte, handelte es sich um eine prägende Veränderung: Die Behandlung musste nicht wiederholt werden. Die einmalige Gabe des Wirkstoffs während der Embryonalentwicklung hatte demnach zu einer dauerhaften Aktivierung des „Feder-Programms“ in den Hühnerfüßen geführt.

„Aus den Ergebnissen geht hervor, dass Variationen in der Signalübertragung des Shh-Signalwegs wahrscheinlich zur natürlichen Vielfalt und körperteil-spezifischen Entwicklung der Hautstrukturen von Vögeln beitragen“, resümieren die Wissenschaftler. Außerdem kann die Studie zum Verständnis der Evolutionsmechanismen beitragen, hebt Seniorautor Michel Milinkovitch von der Universität Genf abschließend hervor: „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass ein Evolutionssprung – von Schuppen zu Federn – keine großen Veränderungen in der Zusammensetzung oder Expression des Genoms erfordert. Stattdessen kann eine vorübergehende Änderung der Expression nur eines Gens, Shh, eine Kaskade von Entwicklungsereignissen auslösen, die zur Bildung von Federn anstelle von Schuppen führen“, so der Forscher.

Quelle: Universität Genf, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adg9619

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