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Um zwischen der Ober- und Unterseite unserer Gliedmaßen zu unterscheiden, hat die Natur uralte Gene aus der Rückenflosse von Fischen umfunktioniert. Zu diesem Schluss kommt ein internationales Forschungsteam um den Konstanzer Biologen Joost Woltering.
Wie ist der aufwändige Körperbau vieler heutiger Lebewesen aus den meist einfacheren Bauplänen ihrer Vorfahren hervorgegangen? Das ist eine zentrale Frage der Biologie. Nehmen wir unsere Hände als Beispiel: Jedes Mal, wenn wir eine Nachricht auf dem Mobiltelefon tippen, nutzen wir ein evolutives „Meisterwerk“, das sich über viele Millionen Jahre entwickelt hat. Dabei fällt auf, dass wir Gegenstände üblicherweise mit unserer Handinnenseite greifen und bedienen – der ventralen Seite. Der Handrücken, beziehungsweise die dorsale Seite, spielt dabei kaum eine Rolle.
Die Differenzierung unserer Gliedmaßen in eine Unterseite, die mit Gegenständen oder dem Untergrund in Kontakt steht, und eine durch Finger- oder Zehennägel geschützte Oberseite war entscheidend für den erfolgreichen Landgang der Wirbeltiere. Doch wie unterscheidet die Natur zwischen Ober- und Unterseite unserer Gliedmaßen? Und welche genetischen Anpassungen waren dafür im Laufe der Evolution notwendig? Antworten darauf liefert ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Konstanzer Biologen Joost Woltering in einer aktuellen Publikation in Molecular Biology and Evolution. Die Forschenden konnten zeigen, dass für die Entstehung der dorsoventralen Achse unserer Gliedmaßen uralte Gene aus der Rückenflosse von Fischen umfunktioniert wurden.
Ein anatomisches Rätsel
Die evolutive Reise von der Rückenflosse zur menschlichen Hand begann vor etwa 500 Millionen Jahren. Damals wurde das genetische Programm für die Rückenflosse bei einem unserer wasserlebenden Vorfahren kopiert und seitlich am Körper aktiviert. Auf diese Weise entstand der erste Fisch mit paarigen Seitenflossen. Aus diesen wiederum entwickelten sich vor rund 350 Millionen Jahren die ebenfalls paarigen Gliedmaßen der Landwirbeltiere – und damit auch unsere Arme und Beine.
Dementsprechend gibt es viele genetische Ähnlichkeiten zwischen der Rückenflosse von Fischen und unseren Gliedmaßen. „Wir können in der Rückenflosse von Fischen beispielsweise dieselben genetischen Signale erkennen, die in unserer Hand die Entstehung von Daumen und kleinem Finger steuern“, erklärt Joost Woltering. Bezüglich der Unterscheidung zwischen Vorder- und Rückseite unserer Gliedmaßen ergibt sich jedoch ein Problem: Ursprüngliche Rückenflossen – wie etwa die eines Hais – sind links und rechts vollkommen symmetrisch. Ein Pendant zu Handfläche und Handrücken existiert bei ihnen nicht.
Ein Gen bekommt eine neue Funktion
Es war bereits bekannt, dass während der Embryonalentwicklung das Gen Lmx1b eine entscheidende Rolle bei der Ausdifferenzierung unserer Hand spielt: Zellen, in denen es aktiviert ist, entwickeln sich zum Handrücken. Zellen, in denen es inaktiv ist, werden zur Handinnenfläche. Um herauszufinden, welche Funktion dieses Gen in urtümlichen Rückenflossen hatte, untersuchte das Forschungsteam die Aktivierungsmuster von Lmx1b bei verschiedenen Fischarten – von Buntbarschen bis hin zu Haien.
Die Ergebnisse offenbarten einen erstaunlichen Unterschied zwischen den Flossentypen: Bei paarigen, seitlichen Flossen – den direkteren Vorläufern unserer Gliedmaßen – ist das Gen, wie bei unseren Händen, auf der dorsalen Seite aktiv. Bei Rückenflossen hingegen wird Lmx1b im hinteren, dem Kopf abgewandten Bereich aktiviert. „Dieses Aktivierungsmuster in den Rückenflossen war für uns völlig unerwartet. Es deutet darauf hin, dass das Gen zwar bereits in urtümlichen Rückenflossen vorhanden war, dort jedoch eine ganz andere Funktion hatte als die Unterscheidung zwischen Ober- und Unterseite“, so Woltering.
Korrekte Verschaltung von Nervenzellen als ursprüngliche Funktion
Um zu verstehen, wie es zu dieser Funktionsänderung kam, untersuchten die Forschenden zudem, wodurch Lmx1b in den verschiedenen Flossentypen aktiviert wird – und stießen erneut auf deutliche Unterschiede: In den seitlichen, paarigen Flossen steuern sogenannte Wnt-Signale die Aktivität des Lmx1b, während in den ursprünglichen Rückenflossen Hedgehog-Signale dafür verantwortlich sind. Werden die Wnt-Signale in Fisch-Embryonen experimentell unterdrückt, ebbt die Lmx1b-Aktivität folglich in den Seitenflossen ab, bleibt in den Rückenflossen jedoch unverändert bestehen. „Um die dorsale Seite unserer Hände zu entwickeln, musste die Evolution also nicht nur das Lmx1b-Gen selbst umfunktionieren, sondern zusätzlich auch noch neue regulatorische Schalter hervorbringen“, fasst Woltering zusammen.
Bleibt die Frage: Was war die ursprüngliche Funktion von Lmx1b in den Rückenflossen? Auch darauf liefert die Studie eine Antwort. Neben seiner späteren Funktion bei der Bestimmung der dorsoventralen Achse unserer Gliedmaßen aktiviert Lmx1b Rezeptormoleküle, die sicherstellen, dass sich Motorneurone während der Embryonalentwicklung mit den richtigen Muskeln verbinden. Diese gezielte „Verdrahtung“ ermöglicht uns beispielsweise das Strecken und Beugen unserer Gliedmaßen über getrennte Nervenbahnen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die ursprüngliche Funktion des Lmx1b-Signals in den Rückenflossen darin bestand, die korrekte neuronale Verschaltung der hinteren Flossenmuskulatur zu gewährleisten“, so Woltering.
Faktenübersicht:
• Originalpublikation: S. Zdral, S.G. Bordignon, A. Meyer, M.A. Ros, J.M. Woltering (2026) Dorsoventral limb patterning in paired appendages emerged via regulatory repurposing of an ancestral posterior fin module. Molecular Biology and Evolution; doi: 10.1093/molbev/msaf331
• Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Joost Woltering beschreibt die genetische Grundlage für eine der Schlüsselinnovationen bei der evolutiven Entwicklung unserer Gliedmaßen aus den urtümlichen Rückenflossen von Fischen.
• Beteiligte Forschende und Einrichtungen:
o Joost Woltering, Axel Meyer und Simone Giulio Bordignon (Universität Konstanz, Deutschland)
o Sofía Zdral und Marian A. Ros (Universidad de Cantabria, Santander, Spanien
• Pressekontakt: Joost Woltering, Assistenzprofessor am Fachbereich Biologie der Universität Konstanz, Telefon 07531 88 2763, E-Mail: joost.woltering@uni-konstanz.de
• Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), spanisches Ministerium für Wissenschaft, Innovation und Universitäten (MICIU), European Molecular Biology Organization (EMBO) und Universität Konstanz
Hinweis an die Redaktion:
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Bild 1: https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2026/von_der_flosse_zur_hand...
Bildunterschrift: Fluoreszenz-Nachweis von Lmx1b (rot) in einem Buntbarsch-Embryo.
Copyright: Joost Woltering
Bild 2: https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2026/von_der_flosse_zur_hand...
Bildunterschrift: Visualisierung der Rolle von Lmx1b bei der Musterbildung der Flossen- und Gliedmaßen-Achsen.
Copyright: Joost Woltering
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Biologie, Tier / Land / Forst
überregional
Forschungsprojekte
Deutsch
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