Bildung von Farbmustern - Christiane Nüsslein-Volhard

Farbmuster sind markante Merkmale der meisten Tiere. Sie sind sehr variabel und entwickeln sich schnell, was zu großen Unterschieden zwischen den Arten führt, sogar innerhalb einer einzigen Gattung. Da sie Ziel natürlicher und sexueller Selektion sind, sind sie von großer evolutionärer Bedeutung. Wir verwenden den Zebrafisch (Danio rerio) als Modellorganismus, um die Bildung von Pigmentmustern bei einem Wirbeltier zu untersuchen.

Zebrafische haben ein auffälliges Muster aus abwechselnd blauen und goldenen Streifen auf dem Körper und auf den Anal- und Schwanzflossen. Die drei Arten von Pigmentzellen im Zebrafisch, die für das Farbmuster verantwortlich sind, Melanophoren, Iridophoren und Xanthophoren, stammen von Stammzellen aus der Neuralleiste ab, die mit den Spinalganglien des peripheren Nervensystems verbunden sind. Klonale Analysen zeigen, dass diese Vorläuferzellen über die Embryogenese hinaus bis zur Metamorphose multipotent und plastisch bleiben, wenn sich das Farbmuster entwickelt.

Pigmentzellen haben eine gemeinsame Abstammung mit den neuronalen Zellen des peripheren Nervensystems; Vorläuferzellen breiten sich entlang der Spinalnerven aus. Die Proliferation von Pigmentzellen wird durch konkurrierende Interaktionen zwischen Zellen desselben Typs reguliert. Ein gleichmäßiger Abstand führt zu kollektiver Migration und Kontakthemmung bei der Fortbewegung der drei Zelltypen, die in übereinanderliegenden Monolayern in der Haut verteilt sind. Diese Art der Färbung der Haut ist wahrscheinlich allen Fischen gemeinsam, während unterschiedliche Muster durch artspezifische Zellinteraktionen zwischen den verschiedenen Pigmentzelltypen entstehen. Diese Interaktionen werden durch Kanäle vermittelt, die an der direkter Zellkontakt zwischen den Pigmentzellen, sowie weitgehend unbekannte Hinweise aus der Umgebung des Gewebes.

Die Farbmuster eng verwandter Danio-Arten sind erstaunlich unterschiedlich. Ihre Variation bietet eine großartige Gelegenheit, die genetischen und entwicklungsbedingten Grundlagen der Farbmusterentwicklung bei Wirbeltieren zu untersuchen. Die aufregenden technischen Entwicklungen der letzten Jahre, insbesondere die Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation und die neuartigen Möglichkeiten der Genom-Editierung mit dem CRISPR/Cas9-System, ermöglichen es, von Modellorganismen auf andere Spezies überzugehen und die Funktion von Genen durch gezieltes Ausschalten und Ersetzen von Allelen direkt zu testen. So können Modelle und Hypothesen über die Bildung von Pigmentmustern, die vom Zebrafisch abgeleitet wurden, nun auch an anderen Danio-Arten getestet werden. Diese Studien werden den Grundstein dafür legen, nicht nur die genetische Basis der Farbmuster-Variationen zwischen Danio-Arten zu verstehen, sondern auch die Evolution der Farbmuster bei anderen Wirbeltieren.

Forschungsgruppe ´Color Pattern Formation´

Der Zebrafisch, Danio rerio, der seinen Namen dem auffälligen stereotypen Muster aus blauen und goldenen Querstreifen verdankt, hat sich als Modellorganismus zur genetischen Analyse der Farbmusterbildung bei Wirbeltieren etabliert. In den letzten Jahren wurde eine ständig wachsende Zahl erwachsener, lebensfähiger Mutanten mit veränderten Farbmustern erfasst, und es wurden neue Ansätze zur Rückverfolgung der Abstammung einzelner Fische entwickelt. Sie bieten die einzigartige Möglichkeit, den genetischen und zellbiologischen Hintergrund des komplexen und langwierigen Entwicklungsprozesses bei dieser Art zu verstehen. Die Farbmuster bei eng verwandten Danio-Arten sind erstaunlich unterschiedlich; ihre Variation bietet eine großartige Gelegenheit, die genetischen und entwicklungsbedingten Grundlagen der Farbmusterevolution bei Wirbeltieren zu untersuchen.

Literaturhinweise

M Podobnik, H-G Frohnhoefer, CM Dooley, A Eskova, C Nuesslein-Volhard, and U Irion, "Evolution of the potassium channel gene Kcnj13 underlies colour pattern diversification in Danio fish," Nature Communications 11 (1), 6230 (2020).
A Eskova, HG Frohnhöfer, C Nüsslein-Volhard, and U Irion, "Galanin Signaling in the Brain Regulates Color Pattern Formation in Zebrafish," Current Biology 30 (2), 298-303 (2020).
U Irion and C Nüsslein-Volhard, "The identification of genes involved in the evolution of color patterns in fish," Current Opinion in Genetics & Development 57, 31-38 (2019).
U Irion, A. P. Singh, and C Nüsslein-Volhard
The developmental genetics of vertebrate colour pattern formation:  Lessons from Zebrafish
Current Topics Developmental Biology (2016)
C Nüsslein-Volhard and AP Singh, "How fish color their skin: A paradigm for development and evolution of adult patterns: Multipotency, plasticity, and cell competition regulate proliferation and spreading of pigment cells in Zebrafish coloration," Bioessays 39 (3), 1600231 (2017).
C Nüsslein-Volhard
Schönheit der Tiere: Evolution biologischer Ästhetik
Mit Illustrationen von Suse Grützmacher. Matthes und Seitz, Berlin (2017)
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