Was ist der gemeinsame Nenner zwischen Oktopussen und menschlichen Gehirnen?

Zusammenfassung: Oktopusse haben ein massiv erweitertes Repertoire an mRNA in ihrem Nervengewebe, was eine ähnliche Evolution wie die von Wirbeltieren widerspiegelt. Die Ergebnisse zeigen, dass miRNAs eine wichtige Rolle bei der Entwicklung komplexer Gehirne spielen.

Quelle: MDC

Kopffüßer wie Tintenfische, Tintenfische und Tintenfische sind hochintelligente Tiere mit komplexen Nervensystemen. In Science Advances hat ein Team um Nicholas Rajewski vom Max-Delbrück-Centrum nun gezeigt, dass ihre Entwicklung mit der exponentiellen Erweiterung des microRNA-Repertoires zusammenhängt.

Wenn wir in der Evolutionsgeschichte weit genug zurückgehen, begegnen wir dem letzten bekannten gemeinsamen Vorfahren von Menschen und Kopffüßern: ein primitives wurmähnliches Tier mit minimaler Intelligenz und einfachen Augenflecken.

Später kann das Tierreich in zwei Gruppen von Organismen eingeteilt werden – solche mit Rückgrat und solche ohne.

Während Wirbeltiere, insbesondere andere Primaten und Säugetiere, große, komplexe Gehirne mit vielfältigen kognitiven Fähigkeiten entwickelt haben, haben Wirbellose dies nicht getan.

Mit einer Ausnahme: Kopffüßer.

Wissenschaftler haben sich lange gefragt, warum nur diese Mollusken ein so komplexes Nervensystem entwickeln konnten. Nun hat ein internationales Team unter Leitung von Forschern des Max-Delbrück-Centrums und des Dartmouth College in den USA eine mögliche Ursache aufgezeigt.

In einer Suche veröffentlicht inWissenschaft schreitet voranSie erklären, dass Oktopusse ein stark erweitertes Repertoire an microRNAs (miRNAs) in ihrem Nervengewebe besitzen – was ähnliche Entwicklungen widerspiegelt, die bei Wirbeltieren stattgefunden haben.“ „Das verbindet uns also mit dem Oktopus!“, sagt Professor Nikolaus Ragowski, wissenschaftlicher Direktor des Berliner Institut für Medizinische Systembiologie am Max-Delbrück-Centrum (MDC-BIMSB), Leiter der Systembiologie des Gene Regulatory Elements Laboratory und jüngster Autor der Veröffentlichung, erklärt er, dass dieser Befund wahrscheinlich bedeutet, dass Mikromoleküle eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung komplexer Gehirne.

Im Jahr 2019 las Rajewsky einen Beitrag über Genanalysen an Tintenfischen. Wissenschaftler haben entdeckt, dass in diesen Kopffüßern viel RNA-Modifikation stattfindet – was bedeutet, dass sie bestimmte Enzyme stark nutzen, die ihre RNA umkodieren können.

„Das brachte mich auf den Gedanken, dass Oktopusse nicht nur gut im Editieren sein könnten, sondern auch andere RNA-Tricks auf Lager haben könnten“, erinnert sich Rajewsky. Und so begann er eine Zusammenarbeit mit der Meeresforschungsstation Stazione Zoologica Anton Dohrn in Neapel, die ihm Proben von 18 verschiedenen Gewebearten von toten Kraken schickte.

Die Ergebnisse dieser Analysen waren überraschend: „Es gab zwar viel RNA-Editierung, aber nicht in Regionen, die wir für wichtig halten“, sagt Rajewsky.

Die interessanteste Entdeckung war eigentlich die dramatische Expansion einer bekannten Gruppe von RNA-Genen, den microRNAs. Insgesamt wurden 42 neue miRNA-Familien gefunden – speziell in Nervengewebe und vor allem im Gehirn.

Angesichts der Tatsache, dass diese Gene während der Evolution der Kopffüßer konserviert wurden, kam das Team zu dem Schluss, dass sie für die Tiere eindeutig vorteilhaft und daher funktionell wichtig sind.

Ragowski forscht seit mehr als 20 Jahren an Mikropartikeln. Anstatt in Boten-RNA übersetzt zu werden, die die Anweisungen für die Proteinproduktion in der Zelle gibt, kodieren diese Gene kleine RNA-Stücke, die an die Boten-RNA binden und so die Proteinproduktion beeinflussen.

Diese Bindungsstellen wurden auch während der gesamten Evolution der Kopffüßer konserviert – ein weiterer Hinweis darauf, dass diese neuen Mikromoleküle von funktioneller Bedeutung sind.

Neue microRNA-Familien

„Dies ist die drittgrößte Erweiterung von microRNA-Familien in der Tierwelt und die größte außerhalb der Wirbeltiere“, sagt Hauptautor Grigory Zolotarov, ein ukrainischer Wissenschaftler, der während seines Medizinstudiums in Prag und später in Rajewskys Labor am MDC-BIMSB ausgebildet wurde .

„Um Ihnen eine Vorstellung von der Größe zu geben: Muscheln, die auch Mollusken sind, haben seit dem letzten Vorfahren, den sie mit Tintenfischen teilten, nur fünf neue microRNA-Familien erworben – während Tintenfische 90 hinzugewonnen haben!“ Austern sind nicht gerade für ihre Intelligenz bekannt, fügt Zolotaroff hinzu.

Rajewskys Faszination für Tintenfische begann vor Jahren bei einem abendlichen Besuch im Monterey Bay Aquarium in Kalifornien. „Ich sah diese Kreatur auf dem Boden des Tanks sitzen und wir verbrachten einige Minuten damit – so dachte ich – uns anzusehen.“

Einen Oktopus zu betrachten sei ganz anders als einen Fisch, sagt er: „Es ist nicht sehr wissenschaftlich, aber ihre Augen strahlen Intelligenz aus.“ Oktopusse haben komplexe „Kamera“-Augen, ähnlich wie Menschen.

Aus evolutionärer Sicht sind Tintenfische einzigartig unter den Wirbellosen. Sie haben ein zentrales Gehirn und ein peripheres Nervensystem – ein Organ, das unabhängig handeln kann. Wenn der Oktopus seine Tentakel verliert, bleibt der Tentakel berührungsempfindlich und kann sich bewegen.

Der Grund, warum Tintenfische bei der Entwicklung solch komplexer Gehirnfunktionen einsam sind, könnte in der Tatsache liegen, dass sie ihre Arme sehr gezielt einsetzen – zum Beispiel als Werkzeuge zum Öffnen von Muscheln.

Oktopusse zeigen auch andere Anzeichen von Intelligenz: Sie sind sehr neugierig und können sich Dinge merken. Sie können auch Leute kennenlernen und manche mehr mögen als andere.

Forscher glauben jetzt, dass sie sogar träumen, da sie im Schlaf ihre Farbe und Hautstruktur verändern.

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„Sie sagen, wenn du einen Ausländer treffen willst, geh tauchen und freunde dich mit einem Oktopus an“, sagt Rajewsky.

Er plant nun, sich anderen Oktopus-Forschern anzuschließen, um ein europäisches Netzwerk zu bilden, das einen größeren Austausch zwischen Wissenschaftlern ermöglichen wird. Obwohl die Gemeinschaft derzeit noch klein ist, wächst laut Rajewsky das Interesse an Tintenfischen weltweit, auch unter Verhaltensforschern.

Es sei faszinierend, sagt er, eine Form von Intelligenz zu analysieren, die sich völlig unabhängig von unserer entwickelt hat. Aber das ist nicht einfach: „Wenn man mit ihnen Tests mit kleinen Snacks als Belohnung macht, verlieren sie schnell die Lust. Das sagen mir zumindest meine Kollegen“, sagt Ragoski.

„Da Oktopusse keine typischen Modellorganismen sind, waren unsere biomolekularen Werkzeuge sehr begrenzt“, sagt Zolotarov. „Deshalb wissen wir noch nicht genau, welche Zelltypen die neue microRNA exprimieren.“ Rajewskys Team plant nun, eine in Rajewskys Labor entwickelte Technologie anzuwenden, die Zellen in Oktopusgeweben auf molekularer Ebene sichtbar machen wird.

Über diese Neuigkeiten aus der Genetik und den evolutionären Neurowissenschaften

Autor: Jan Schlöter
Quelle: MDC
Kontakt: Jana Schlöter – MDC
Bild: Bildnachweise an Nir Friedman

Ursprüngliche Suche: uneingeschränkter Zugang.
„MicroRNAs sind eng mit der Entstehung des komplexen Oktopus-Gehirns verbundenGeschrieben von Nicholas Ragowski et al. Wissenschaft schreitet voran

Zusammenfassung

MicroRNAs sind eng mit der Entstehung des komplexen Oktopus-Gehirns verbunden

Kopffüßer mit weichem Körper wie Tintenfische sind außergewöhnlich intelligente Wirbellose mit einem hochkomplexen Nervensystem, das sich unabhängig von Wirbeltieren entwickelt hat. Angesichts der erhöhten RNA-Bearbeitung in ihren neuronalen Geweben stellten wir die Hypothese auf, dass die RNA-Regulierung eine Schlüsselrolle für den kognitiven Erfolg dieser Gruppe spielen könnte.

So haben wir Messenger-RNA und kleine RNA in drei Arten von Kopffüßern, einschließlich 18 Geweben, charakterisiert gewöhnlicher Oktopus. Wir zeigen, dass die wichtigste RNA-Innovation weicher Kopffüßer eine Erweiterung des microRNA (miRNA)-Genrepertoires ist.

Diese evolutionär neuartigen Mikromoleküle wurden konstitutiv in adultem Nervengewebe und während der Entwicklung exprimiert und behielten funktionelle und daher potenziell funktionelle Zielorte bei. Die einzigen ähnlichen Erweiterungen von miRNA sind insbesondere bei Wirbeltieren aufgetreten.

Daher schlagen wir vor, dass Mikromoleküle eng mit der Entwicklung komplexer tierischer Gehirne verbunden sind.