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Eine neue Studie zeigt, dass das Sanduhr-Modell der Embryonalentwicklung nicht nur auf Ebene ganzer Embryonen, sondern bereits in einzelnen Zelllinien sichtbar ist. Forschende des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie und der Universität Kiel konnten nachweisen, dass Zellen verschiedener Arten in der mittleren Entwicklungsphase besonders ähnliche genetische Programme nutzen. Das eröffnet eine neue Perspektive auf die Frage, wie konservierte Entwicklungsprozesse und artspezifische Unterschiede entstehen.
Auf den Punkt
• Ein klassisches Entwicklungs-Modell – jetzt in Zellauflösung: Die Studie zeigt, dass das seit langem bei Embryonen verschiedener Arten beobachtete Sanduhr-Modell bereits in einzelnen Zelllinien verankert ist.
• Zwei komplementäre molekulare Signaturen deuten auf eine breitere konservierte Entwicklungsphase hin: Zellen verschiedener Arten zeigen die höchste Ähnlichkeit ihrer Genaktivität im Neurula-Stadium; im Pharyngula-Stadium nutzen sie besonders häufig evolutionär sehr alte Gene – das spricht für eine längere konservierte Phase der Embryonalentwicklung.
• Eine asymmetrische Sanduhr: Späte Entwicklungsstadien gehen stärker auseinander als frühe. Das zeigt: Mit der Zeit lässt die gemeinsame „Grundform“ nach, während die Embryonen artspezifische Merkmale ausbilden.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beobachten seit Langem: Embryonen verschiedener Arten innerhalb eines Stammes sehen in frühen und späten Stadien oft deutlich verschieden aus, ähneln sich aber in der Mitte der Embryonalentwicklung stärker – ein Muster, das als Sanduhr der Embryonalentwicklung bekannt ist.
Im Jahr 2010 lieferten zwei grundlegende Studien Belege auf Ebene der Genaktivität für dieses Muster. Die Gruppe von Prof. Dr. Diethard Tautz am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön zeigte, dass Zebrafisch-Embryonen in der mittleren Embryonalentwicklung vor allem evolutionär alte Gene aktivieren. Gleichzeitig zeigte die Gruppe von Dr. Pavel Tomančák am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, dass die Muster der Genaktivität zwischen Drosophila-Arten in dieser Phase am ähnlichsten sind.
Die „Taille“ der Sanduhr gilt daher als Entwicklungsphase, die besonders beständig gegenüber evolutionären Veränderungen ist, und dient zugleich als Hinweis darauf, ab wann sich die Entwicklung verschiedener Arten stärker auseinanderbewegt. Bislang haben die meisten Studien jedoch lediglich ganze Embryonen oder große Gewebeabschnitte untersucht.
„Embryonale Entwicklung ist aber nicht nur ein Prozess auf Embryo-Ebene. Embryogenese wird im Kern durch das Verhalten einzelner Zellen bestimmt: Sie teilen sich, wandern und spezialisieren sich – so entsteht ein komplexer Organismus.“ sagt Dr. Markéta Kaucká, die die Studie leitete. „Das führt zu einer wichtigen Frage: Spiegelt die Sanduhr Einschränkungen wider, die auf den ganzen Embryo wirken – oder entsteht das Muster aus den Eigenschaften einzelner Zelllinien?“
In einer neuen Studie, veröffentlicht in Nature Communications, untersuchten Forschende vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie und der Universität Kiel, ob sich das Sanduhr-Modell auch in deutlich feinerer Auflösung beobachten lässt – nämlich innerhalb der einzelnen Zelllinien, die den Embryo aufbauen.
Entwicklung auf Zellebene kartieren
Um zu prüfen, ob das Sanduhr-Modell der Embryonalentwicklung auch auf Ebene einzelner Zellen gilt, analysierte das Team öffentlich verfügbare Einzelzell-Daten zur Genaktivität aus Maus und Zebrafisch, über mehrere Stadien der Embryonalentwicklung hinweg. „Um zu verstehen, wie Zellen durch die Entwicklung gehen, haben wir zuerst detaillierte Karten der Zell-Entwicklungswege rekonstruiert. Diese Karten ähneln Familienstammbäumen einzelner Zellen: Sie zeigen wie zelluläre Vorfahren und deren Nachkommen miteinander verbunden sind“, erklärt Erstautor und frisch promovierter Dr. Amor Damatac II. „So war es uns möglich, molekulare Veränderungen entlang einzelner Entwicklungsstadien von Zellen zu verfolgen, während die Entwicklung im Ganzen weiter voranschreitet.“
Die Analyse der Genaktivitäten entlang dieser Entwicklungsverläufe zeigte, dass einzelne zelluläre Entwicklungsstadien demselben bewährten Entwicklungs-Muster folgen, welches man bisher nur auf Ebene ganzer Embryonen beobachten konnte.
Eine zelluläre Sanduhr
Mit den rekonstruierten Zell-Entwicklungswegen prüfte das Team als Nächstes, ob sich die typischen Kennzeichen der „molekularen“ Sanduhr auch innerhalb einzelner Zelllinien nachweisen lassen. Dazu betrachteten sie zwei zentrale Merkmale: (1) wie stark die Genaktivität zwischen Arten übereinstimmt und (2) wie alt – im evolutionären Sinn – die Gene sind, die während der Entwicklung aktiv sind.
Die Forschenden fanden ein deutliches Sanduhr-Muster. In der mittleren Embryonalentwicklung, besonders um das Neurula-Stadium, zeigten Zellzustände in Maus und Zebrafisch die größte Ähnlichkeit in der Genaktivität – ein Zeichen dafür, dass die Entwicklungsprogramme hier stark konserviert sind. Gleichzeitig sah das Team, dass in einem etwas späteren Abschnitt, dem Pharyngula-Stadium, in den meisten Zellzuständen vor allem die evolutionär ältesten Gruppen von Genen aktiv sind. Das deutet darauf hin, dass in dieser Phase besonders tief verankerte genetische Programme dominieren. Zusammen bilden diese beiden Signale die „Taille“ der Sanduhr und zeigen, dass die Konservierung bei Wirbeltieren über eine breitere phylotypische Phase reicht (also den Abschnitt, in dem sich Arten eines Stammes besonders ähnlich sind) – nicht nur über ein einziges, scharf abgegrenztes Stadium.
Zusammen zeigen diese Ergebnisse: Die in ganzen Embryonen beobachtete Sanduhr der Embryonalentwicklung stellt ein Muster dar, das bereits in einzelnen Zelllinien eingebettet ist, und sich aus ihrem kombinierten Verhalten ergibt.
Eine asymmetrische Sanduhr
Die Studie fand außerdem ein weiteres Merkmal: Späte Entwicklungsstadien unterscheiden sich zwischen Arten stärker als frühe Entwicklungsstadien. Diese asymmetrische Sanduhr spricht dafür, dass die Unterschiede im Lauf der Evolution zunehmen – wenn Embryonen spezielle Strukturen und artspezifische Merkmale ausbilden.
Warum diese Entdeckung wichtig ist
Die Ergebnisse bieten eine neue Perspektive darauf, wie Embryonen trotz der enormen Komplexität ihrer Entwicklung beständig bleiben. Während sich Zellen nach und nach spezialisieren, um verschiedene Gewebe und Organe zu bilden, erfordern die mittleren Entwicklungsstadien eine Konvergenz auf gemeinsame „Schaltprogramme“ der Gene, um die korrekte Bildung des Körperplans zu gewährleisten.
Mit dem schnellen Fortschritt von Einzelzell-Methoden könnte diese zelluläre Perspektive stark prägen, wie Forschende künftig die Konservierung der Embryonalentwicklung und die evolutionäre Divergenz bei mehrzelligen Lebewesen untersuchen.
Dr. Markéta Kaucká
Max-Planck-Forschungsgruppenleiterin
Max-Planck Forschungsgruppe Evolutionäre Entwicklungsdynamik
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie
Damatac, A., Ullrich, K.K., Klimovich, A. et al. A cellular basis for the hourglass pattern in vertebrate embryogenesis. Nat Commun 17, 2404 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69828-9
Criteria of this press release:
Journalists
Biology
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications, Research results
German
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