Die Bedeutung der Struktur des Nervensystems und der neuronalen Verdrahtung Evolution

Eine neue Studie, in dieser Woche Online-Ausgabe der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften , zeigt einen unglaublichen Grad an biologischer Vielfalt an einem überraschenden Ort, d.h. in einer einzigen neuralen Verbindung in der Körperwand von Fliegen. Die Entdeckung eröffnet ein neues Spektrum interessanter Fragen hinsichtlich der Bedeutung der Struktur des Nervensystems und der Entwicklung der neuronalen Verdrahtung.
Genetiker Barry Ganetzky, Steenbock Professor für Biologische Wissenschaften an der Universität von Wisconsin-Madison erklärte:

"Wir wissen fast nichts über die Entwicklung des Nervensystems, obwohl wir wissen, dass es passieren muss - Verhaltensänderungen, Komplexitätsänderungen, neue Neuronen, Bildung verschiedener synaptischer Verbindungen."

Der Befund erweist sich umso erstaunlicher, als Ganetzky und seine Doktorandin Megan Campbell die unerwartete Vielfalt an einem Ort, der Wissenschaftlern sehr vertraut ist, entdeckten, nämlich den neuromuskulären Knoten 4 (NMJ4), wo ein einzelnes Motoneuron einen bestimmten Muskel in der Fliege berührt Körperwand, um seine Aktivität zu treiben. Die Synapsen, in denen sich Neuronen mit ihren neuronalen oder muskulären Zielen verbinden, haben eine komplexe Strukturform und sehen aus wie Miniaturbäume, die mit winzigen Knollen verziert sind, die die Nervenenden sind (synaptische Boutons).
Ganetzky erklärt:

"Synapsen sind dort, wo der wichtige Informationstransfer und die integrativen Funktionen des Nervensystems stattfinden. Es ist der fundamentale Ort, an dem die Informationsverarbeitung stattfindet, und es gibt eine grundlegende Überzeugung, dass die Struktur der Synapse der Schlüssel zum Verständnis ihrer Funktion ist."

Jeder Muskel wird von einem anderen Motorneuron versorgt, das einen NMJ mit einer für diesen bestimmten NMJ charakteristischen Form, Größe und Geometrie bildet. Angesichts der Konsistenz der Anatomie der Fliege, auch über verschiedene Arten hinweg, können Forscher die exakt gleiche Synapse in verschiedenen Einzelfliegen identifizieren. Die synaptische Entwicklung und Funktion von NMJ4 wurde gut erforscht, und Ganetzky verwendet NMJ4 seit mehr als 20 Jahren, um Gene mit einer Vielzahl von biologischen Rollen von Bewegungsstörungen bis hin zur Neurodegeneration zu identifizieren.
Das neueste Projekt entstand aus einer einfachen Debatte darüber, was für Labor-gezüchtete Fruchtfliegen und ihre wilden Gegenstücke wirklich "normal" ist. Campbell entdeckte bei einer Untersuchung des NMJ4 in der gewöhnlichen Laborfruchtfliege Drosophila melanogaster, dass die synaptische Morphologie zwischen laborgetriebenen und wilden Fliegen sowie zwischen den in Madison, Wisconsin, und Stämmen aus so weit entfernten Ländern wie Zimbabwe lag war konsistent, wobei alle Fliegen ähnlich aussehende Dorne und Boutons hatten.

Ermutigt durch die Entdeckung, beschlossen sie, weiter zu untersuchen. Ganetzky sagt: "Drosophila ist eine sehr reiche Gattung - Tausende von Arten mit unterschiedlichen Verhaltensweisen, unterschiedlichen Nahrungsvorlieben, verschiedenen Umgebungen, unterschiedlichen Klimaten, unterschiedlichen Größen - mit einer Abweichung von mehr als 50 Millionen Jahren." Es kann mit der evolutionären Trennung zwischen Mäusen und Menschen verglichen werden.
Er fügt hinzu, dass unabhängig von diesen Unterschieden der Larven-Körperplan bei allen bekannten Drosophila-Arten genau gleich ist, unabhängig von ihrer Größe, ihrem Lebensraum oder ihrer Nahrungsquelle.
"Zelle für Zelle, die Körperwandmuskulatur und die Innervationsmuster sind identisch."
Sie begannen, NMJ4 bei anderen Drosophila-Arten mit Hilfe der Fliegenkollektion des UW-Madison-Evolutionsbiologen Sean B. Carroll zu untersuchen. Sie erwarteten die Entdeckung einiger vorhersehbarer Muster mit kleinen Variationen, wenn sie sich auf ihre Ziel-Synapse in 21 verschiedenen Drosophila-Arten aus der ganzen Welt konzentrierten. Campbell sagte jedoch, dass nach der Untersuchung nur einiger Arten ein anderes Bild auftauchte.
Ähnlich wie bei Drosophila melanogaster hatte jede Art eine charakteristische NMJ4-Erscheinung, jedoch unterschied sich diese Erscheinung dramatisch zwischen den Arten. Während NMJ4 bei einigen Arten aus wenigen Boutons bestand, die in einem einfachen unverzweigten Muster angeordnet waren, hatten andere zahlreiche Boutons, die über mehrere lange Zweige verteilt waren, oder viele Boutons, die in dichten, eng gruppierten Dornen gepackt waren.
Auch wenn Ganetzky erklärt: "Die Ergebnisse waren absolut verblüffend - Variationen weit über alles hinaus, was wir jemals erwartet hatten", gab es mehr Überraschungen.
Die auffallenden Variationen in der Komplexität entsprachen nicht einer evolutionären Beziehung zwischen den Arten, d. H. Die NMJs von näher verwandten Arten sahen nicht ähnlicher aus als diejenigen von entfernter verwandten Fliegen.
Sie entdeckten sogar offensichtliche Unterschiede zwischen Arten, die durch weniger als eine Million Jahre Evolution voneinander getrennt waren, Spezies, die sonst so ähnlich erscheinen, dass selbst Fliegexperten Schwierigkeiten haben, sie aufgrund ihres Aussehens zu unterscheiden. Den Forschern zufolge ist solch eine schnelle Entwicklung erstaunlich, obwohl ihre biologische Bedeutung unklar bleibt.
Eine Antwort auf die Frage, was solche außergewöhnlichen Variationen erklären könnte, könnte die Möglichkeit einer genetischen Drift sein, eine zufällige Anhäufung von genetischen Variationen, die das Aussehen des NMJ verändern, aber sonst keinen Einfluss auf den Organismus haben. Grundsätzlich wird jede NMJ, die den Zweck erfüllt, ausreichen. Eine andere Alternative könnte sein, dass jeder NMJ aufgrund seiner besonderen Größe und Struktur durch natürliche Selektion gebildet wird, um irgendwie das Überleben oder den Fortpflanzungserfolg für Mitglieder dieser Art zu erhöhen.
Mit Hilfe der UW-Madison-Genetiker Bret Payseur und Beth Dumont verwendeten die Forscher ein quantitatives Modell, um die verschiedenen NMJ-Strukturen als Funktion der evolutionären Verbindung zwischen 11 Arten zu untersuchen, deren evolutionärer Stammbaum aus der Genomsequenzierung genau bekannt ist.
Ganetzky sagt, dass die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität, die sie beobachtet haben, nicht zufällig zu sein scheint.
"Was das nahelegt, ist, dass es eine treibende Kraft gibt - die natürliche Selektion -, die die Synapse als einen besonderen Weg formt."
Sie stellten die Hypothese auf, dass die neurale Funktion ein offensichtliches Ziel der Selektion und gemessenen elektrischen Aktivität in der Schaltung wäre, aber entdeckte Aktivitätsaufzeichnungen von vier Spezies, um den Bereich der strukturellen Komplexität darzustellen, offenbarten die gleichen neuralen Grundfunktionen unabhängig von der synaptischen Struktur.

Den Forschern zufolge könnte es feine funktionelle Unterschiede zwischen den verschiedenen NMJ-Strukturen geben, die durch ihren Assay nicht entdeckt wurden, die jedoch in unterschiedliche biologische Unterschiede münden könnten. Zum Beispiel Lernfähigkeit oder Stressreaktionen, die ein Ziel für die natürliche Selektion sein könnten.
Ganetzky kommentiert:
"Wir glauben, dass es einen Grund gibt, warum die Variation zählt, aber wir wissen noch nicht, was dieser Grund ist."
Campbell und Ganetzky untersuchen derzeit, ob genetische und molekulare Mechanismen zugrunde liegen und welche biologische Bedeutung diese natürlich vorkommenden Variationen haben.
Ganetzky schließt:

"Wir denken, wir haben eine wichtige Entdeckung über die Natur gemacht, von der wir glauben, dass sie alle möglichen neuen Türen öffnet. An diesem Punkt haben wir viel, viel mehr Fragen aufgeworfen, als wir beantwortet haben ... Fragen über die Entwicklung des Nervensystems, Entwicklung des Verhaltens, der Beziehung zwischen neuronaler und synaptischer Morphologie und Funktion. Ich hoffe, dass dies das Interesse von Wissenschaftlern auf vielen anderen Gebieten weckt, ihre eigenen Fachgebiete anzuwenden. "

Geschrieben von Petra Rattue