Vor etwa 360 Millionen Jahren zogen unsere Fischvorfahren vom Wasser an Land. Dabei entwickelten sich ihre Flossen zu Zehen und Füßen. Hunderte von Millionen Jahren später entwickelte sich das vordere Flossenpaar zu Händen. Um diese entscheidende evolutionäre Veränderung zu verstehen, haben Experten jahrzehntelang Fossilien von heute ausgestorbenen Fischen mit gliedmaßenartigen Flossen untersucht. Außerdem verglichen sie Embryonen von modernen Fischen und Landwirbeltieren, um zu verstehen, wie sich Flossen und Gliedmaßen entwickelt haben.

Doch seit einiger Zeit ermöglicht es eine präzise DNA-Editierungstechnologie namens CRISPR den Forschern auch, diesen uralten Evolutionsprozess im molekularen Detail zu rekonstruieren. So stellt sich heraus, dass die Hände und Füße nicht das Ergebnis neuer Funktionen für neue Gene waren, sondern vielmehr das Ergebnis der natürlichen Selektion, die Teile alter genetischer Rezepte für alte Körperteile zu neuen Kombinationen zusammensetzte.

"Das ist viel einfacher, als alles von Grund auf neu zu bauen", sagt Aurélie Hintermann, Postdoktorandin am Stowers Institute for Medical Research in Kansas City. Hintermann und ihre Kollegen haben kürzlich erfolgreich gezeigt, wie alt diese Teile sind: Der genetische Hintergrund für den Bau von Händen stammt zum Teil von einem alten Rezept für Genitalien.

Schlüssel im Schloss

Hintermann und Kollegen verfolgten für ihre Forschung die Aktivität von Genen in sich entwickelnden Embryonen. Der Embryo beginnt als befruchtete Eizelle mit einem einzigen Satz von Genen, der sich dann in neue Zellen teilt, von denen jede die gleichen Gene erbt. Dabei schalten die Zellen diese Gene in unterschiedlichen Mustern ein und aus, so dass sie sich zu bestimmten Geweben und Organen entwickeln können. Die Zellen setzen auch Moleküle frei, die benachbarte Zellen veranlassen, ihren eigenen genetischen "Rhythmus" zu ändern.

Viele Gene benötigen mehrere Schlüssel, um das Schloss zu öffnen, bevor sie aktiv werden können. Im Jahr 2011 entdeckten Denis Duboule, Biologe an der Universität Genf, und seine Kollegen sechs molekulare Schlösser, die sich nebeneinander auf einer DNA-Sequenz namens 5DOM befinden. Als die 5DOM aus der embryonalen DNA einer Maus entfernt wurde, wuchsen dem Embryo Beine, aber keine Füße.

Duboule und seine Kollegen fragten sich, wie sich dieses wichtige Verschlusssystem entwickelt hat. Entstand es, als unsere Vorfahren das erste Mal an Land kamen und ihnen Gliedmaßen wuchsen? Oder existierte es schon früher, bei unseren flossenartigen Vorfahren? Um diese Frage zu beantworten, untersuchte Christopher Bolt, damals Doktorand im Labor von Duboule, das Genom der Zebranuss. Und entdeckte, dass auch sie eine 5DOM-Sequenz hat.

Der letzte gemeinsame Vorfahre von Zebrabärblingen und Säugetieren existierte vor mehr als 400 Millionen Jahren. Die Entdeckung des Genfer Teams legt nahe, dass dieser Vorfahre bereits die 5DOM-Genomsequenz besaß. Und wenn sie in den Zebradanen noch vorhanden ist, muss sie auch bei ihnen eine Rolle gespielt haben. "Es kann kein Zufall sein, dass es dort vorkommt", sagt Hintermann.

Altfinger-Evolution

Hintermann, der das Projekt während seiner Arbeit im Genfer Labor übernahm, verwendete CRISPR, um Zebrafischembryonen zu züchten, aus denen er die 5DOM-Schlösser entfernte. Wenn die Schlösser bei der Evolution von Fisch Flossen wichtig sind, könnte ihre Entfernung Aufschluss darüber geben, wie. Zu seiner Überraschung hatte das Entfernen der 5DOM-Schlösser kaum Auswirkungen auf die sich entwickelnden Flossen. Es störte jedoch die Entwicklung der Region an der Basis der Zebraflosse, wo sich zwei Öffnungen befinden: der Anus sowie die Blasen- und Genitalöffnungen.

Diese überraschende Entdeckung veranlasste die Forscher, die gleiche Region bei Mausembryonen genauer zu untersuchen. Hier erlebten sie eine zweite Überraschung: 5DOM wirkt sich auch auf die Gene aus, die diese spezielle Region bei Säugetieren bilden. Auf der Grundlage dieser und anderer Experimente haben die Forscher eine neue Hypothese über die Evolution von Fingern und Zehen aufgestellt. Die Geschichte beginnt vor einer halben Milliarde Jahren, mit den frühesten und einfachsten Fischen. Sie waren nicht mehr als ein langer, bandförmiger Kopf, der an einem Körper befestigt war, verschluckten Nahrung, die durch einen langen Verdauungstrakt geleitet wurde, und scheiden dann Abfallprodukte durch den Anus aus. Eine weitere Öffnung in der Nähe diente der Fortpflanzung und dem Urinieren.

Die Embryonen dieser Urfische aktivierten verschiedene Gene, um verschiedene Körperteile zu formen. Im Endstadium aktivierte 5DOM die Gene für den Anus sowie die Harnröhren- und Genitalöffnungen.

Vor etwa 360 Millionen Jahren machte 5DOM jedoch eine evolutionäre Veränderung durch, sagen die Forscher. Jetzt steuert es nicht nur unsere untere Hälfte, sondern auch die Entwicklung unserer Finger und Zehen.

Der Harvard-Evolutionsbiologe M. Brent Hawkins, ebenfalls Autor der Studie, verglich das Recycling von 5DOM mit der Art und Weise, wie Musiker Melodien recyceln. "Das ist so, als ob Jay-Z sich von alten Showmelodien inspirieren lässt und Ausschnitte aus It's the Hard Knock Life neu abmischt", sagte er.

Die Hände und die Körperöffnungen in der unteren Körperhälfte scheinen wenig gemeinsam zu haben, aber es gibt wichtige Gemeinsamkeiten. Am wichtigsten ist, dass es sich letztlich um "Gliedmaßen", Extremitäten, Organe handelt, die an der Grenze des Körpers erscheinen.

Wie Neil Shubin, Evolutionsbiologe an der Universität Chicago und Mitautor der Studie, sagt, bleiben die genauen evolutionären Veränderungen, die der 5DOM-Sequenz eine neue Rolle verliehen, jedoch ein Rätsel: "Es hat uns überrascht. Wir müssen noch viel lernen, um zu enträtseln, wie das alles passiert ist".