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07.01.08 Evolution des Sehens

Botaniker der Friedrich-Schiller-Universität Jena um Prof. Dr. Maria Mittag interessieren sich für die Funktionsweise des "Sehapparates" der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und Forschende des Biozentrums der Universität Basel um Prof. Walter J. Gehring haben erstmals bestimmte lichtempfindliche Moleküle bei Quallen gefunden, die zuvor nur bei höheren Tieren bekannt waren: so genannte Opsine. Ihre Entdeckungen eröffnen neue Einblicke in die Evolutionsgeschichte.

Botaniker der Universität Jena klären Eiweisse und Modifikationen des Augenflecks von Algen auf

Wie und womit sehen Algen? Dieser Frage widmen sich Botaniker der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Während es den Laien zunächst überraschen mag, dass Algen überhaupt "sehen" können, interessieren sich die Forscher um Prof. Dr. Maria Mittag für die Funktionsweise des "Sehapparates" der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii.

Abb. 1: Die Signalverarbeitung bei der Lichtwahrnehmung der Grünalge "Chlamydomonas reinhardtii" verläuft wahrscheinlich nach ähnlichen Mechanismen wie bei Wirbeltieren. Das fanden Botaniker der Universität Jena um Prof. Dr. Maria Mittag heraus.
Quelle: Mittag/FSU

"Natürlich ist das 'Sehen' einzelliger Algen nicht direkt vergleichbar mit der Sinneswahrnehmung höherer Organismen", räumt die Professorin für Allgemeine Botanik ein. Aber, so macht die Forscherin deutlich, die Algen können Licht wahrnehmen und so "hell" und "dunkel" unterscheiden. Je nach seiner Intensität schwimmen sie gezielt auf das Licht zu oder von ihm weg. Diese Lichtwahrnehmung geschieht über den sogenannten Augenfleck, ein primitives visuelles System. Gemeinsam mit Kollegen der Uni Erlangen-Nürnberg haben die Jenaer Forscher nun die Eiweisse und Modifikationen des primitiven "Auges" dieser wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) grossen Algen aufgeklärt.

Dazu haben die Forscher sämtliche Eiweisse, aus denen der Augenfleck aufgebaut ist, isoliert und deren Struktur und Zusammensetzung analysiert. Über 200 Eiweisse konnten sie identifizieren und ihre Modifikationen im Augenfleck der Algen bestimmen. "Der Augenfleck befindet sich am Rande des Chloroplasten der Algenzelle", so Mittag. "Doch anders als dieser enthält der Augenfleck nur wenig des grünen Farbstoffs Chlorophyll", sagt die Botanikerin. Stattdessen enthält dieser grosse Mengen an Karotinoiden - orangefarbigen Pigmenten.

"Interessanterweise besitzt dieser primitive Augenfleck auch Eiweisse, welche in den Augen von Tieren und vom Menschen vorkommen", sagt Prof. Mittag und nennt als Beispiel ein Eiweiss mit Namen "SOUL-Häm-Bindeprotein". Hinweise darauf sind auch in der Netzhaut im Auge höherer Organismen zu finden. Ebenso sind diese auch in der Zirbeldrüse enthalten, jenem Organ im Gehirn, das bei Menschen und Tieren an der Steuerung des Tag-Nacht-Rhythmus beteiligt ist. Diese Ähnlichkeiten sind kein Zufall. "Ganz ähnlich wie Auge und Zirbeldrüse bei Säugern oder uns Menschen, steuert der Augenfleck die Lichtwahrnehmung und könnte somit an der Synchronisation des Tag-Nacht-Rhythmus' der Algen beteiligt sein", erläutert Prof. Mittag.

Ausserdem fanden die Forscher, dass die Modifikationen sogenannter Rhodopsine im Augenfleck der Algen konserviert sind. Diese Moleküle sind als Lichtrezeptoren auch in den Augen von Wirbeltieren mit diesen Modifikationen zu finden. "Das lässt darauf schliessen, dass der Lichtsignalweg bei den Grünalgen und Wirbeltieren nach ähnlichen Mechanismen gesteuert wird", macht Prof. Mittag deutlich. Auch hinsichtlich der übrigen Eiweisse unterscheidet sich der Augenfleck deutlich von den übrigen Zellstrukturen der Algen. So finden sich viele Eiweiss-Bausteine, die wasserabweisende Eigenschaften besitzen.

"Das ist nicht nur wichtiges Grundlagenwissen für uns Botaniker", ordnet Prof. Mittag die aktuellen Forschungsergebnisse ein. "Vielmehr lassen sich daran auch entwicklungsbiologische Prozesse ableiten, etwa wie das Auge höher entwickelter Organismen entstanden ist." Selbst therapeutische Anwendungen seien eines Tages denkbar. Versuche aus anderen Labors, ein Algen-Rhodopsin in andere Organismen zu übertragen, zeigten bereits Erfolge. So kann dieses Eiweiss Nervenzellen in damit behandelten Fadenwürmern stimulieren und bei diesen Lichtreaktionen auslösen bzw. bei blinden Mäusen partielles Sehen vermitteln.

Kontakt:

Prof. Dr. Maria Mittag
Institut für Allgemeine Botanik und Pflanzenphysiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Am Planetarium 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 949200
E-Mail: M.Mittag[at]uni-jena.de

Neue Einblicke in die Evolution: Erstmals lichtempfindliche Moleküle bei Quallen entdeckt

Forschende des Biozentrums der Universität Basel um Prof. Walter J. Gehring haben erstmals bestimmte lichtempfindliche Moleküle bei Quallen gefunden, die zuvor nur bei höheren Tieren bekannt waren: so genannte Opsine. Ihre Entdeckung eröffnet neue Einblicke in die Evolutionsgeschichte.

Abb. 1: Die Augen der Hydromeduse Cladonema radiatum befinden sich an der Basis der Tentakeln (dunkle Punkte).
Quelle: Universität Basel, Biozentrum

Zellen zur Lichtwahrnehmung in Augen von höheren Tieren werden traditionellerweise in zwei Typen unterschieden: in "ciliäre" Sehzellen, die sich vor allem bei Wirbeltieren, und "rhabdomerische" Sehzellen, die sich bei Insekten finden. Diese beiden Arten unterscheiden sich in der Zellarchitektur wie auch im Übertragungsweg des Lichtsignals. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Typen von Photorezeptorzellen wurden bisher mit einer Zeitphase der Evolution in Verbindung gebracht, in der sich Wirbeltieren und Insekten auseinanderentwickelten.

Quallen, entwicklungsgeschichtlich die ältesten Tiere mit komplexen Augen, verwenden überwiegend ciliäre Sehzellen, was aus ihrer Zellarchitektur hervorgeht. Es ist bekannt, dass sich Licht auf zahlreiche Aktivitäten im Verhalten von Quallen und Korallen auswirkt. Ein Beispiel dafür ist das beeindruckende massenhafte Laichen von Korallen im Great Barrier Reef vor Australien. Die bei der Lichtwahrnehmung beteiligten Moleküle sind jedoch bisher nicht erforscht worden.

Nun haben die Forscher Hiroshi Suga und Walter J. Gehring vom Biozentrum der Universität Basel bei zwei verschiedenen Quallenarten nicht weniger als 20 lichtempfindlichen Moleküle (Opsine) entdeckt, nämlich bei Cladonema radiatum, die Augen besitzt, und Podocoryne carnea, die keine Augen hat. Die Studie ergab, dass sämtliche dieser Quallen-Opsine eng mit ciliären Opsinen verwandt sind. Ihre Folgerung: Die Opsine des ciliären und des rhabdomerischen Typs haben sich wahrscheinlich in einer sehr viel früheren Zeit auseinanderentwickelt, nämlich noch bevor sich die Trennung von Quallen und höheren Tieren wie Wirbeltieren und Insekten herausbildete.

Abb. 1: Schwarze Flecken an der Peripherie des Auges markieren die Zellen, in denen eines der entdeckten Opsine arbeitet.
Quelle: Universität Basel, Biozentrum

In einer weiteren Studie entdeckten die Forscher, dass die Opsine von Quallen an verschiedenen Körperteilen gebildet werden. Bei der Analyse der Gen-Expression von augenspezifischen Opsinen stellten sie fest, dass sie für den Gesichtssinn in den Augen eine Rolle spielen. Dies ist der erste Hinweis überhaupt, dass Quallen genau wie höhere Tiere Opsine für die Lichtwahrnehmung einsetzen.

Zudem stellten die Wissenschaftler fest, dass einige der Opsine von Cladonema radiatum genetisch im Eierstock ausgebildet sind. Dies legt eine Rolle bei der zeitlichen Steuerung der Eiablage nahe, die stark mit dem Wechsel der Mondphasen zusammenhängt. Die Forschungsergebnisse lassen damit auf ein neues Szenario in der Evolution der Photorezeptoren bei Tieren schliessen und werfen ein neues Licht auf das Sehverhalten von Quallen und ihrer Verwandten.

Quelle

Evolution and Functional Diversity of Jellyfish Opsins
H. Suga, V. Schmid, W. J. Gehring, Current Biology 2008, 18. 51. DOI

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Evolution des Sehens
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2008jan/sehen.shtm)

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