Wie die Zebrafische zu ihrem Muster kommen

8. Juni 2017, 09:00
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Medizinnobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard erforscht am Beispiel des Zebrafisches, wie Farbmuster entstehen

Wien – Es gibt viele Tiere, die Farben ganz anders wahrnehmen als Menschen. Farbige Muster springen den Artgenossen meistens dennoch ins Auge und verfolgen damit einen wichtigen Zweck – beim anderen Geschlecht zu punkten beispielsweise. Bunte Farben beim oft auffälligeren Männchen sind dem Weibchen ein Indiz dafür, dass es ein besonders fittes Exemplar vor sich hat. Daher lohnt es sich, gemeinsam Nachkommen zu zeugen. Für Biologen fällt dies in die Rubrik "sexuelle Selektion": Das attraktive Männchen bekommt mit hoher Wahrscheinlichkeit mehr Nachwuchs als andere, es kann mehr eigenes Erbmaterial in die nächste Generation bringen.

Daneben ist es natürlich wichtig, von Fressfeinden unbehelligt zu bleiben. Auch das beeinflusst Farben und Muster im Sinne der Tarnung: Ein Fisch ist von oben betrachtet häufig dunkler, weil er so im Auge des Räubers vor dem Hintergrund des dunklen Gewässerbodens weniger auffällt.

Beeindruckend bunt

Doch wie kommen diese sinnvollen Musterungen und Farben im einzelnen Tier zustande? Um diese Frage zu beantworten, bietet es sich an, gleich im Reich der Fische zu bleiben: Hier finden sich einerseits beeindruckend bunte Exemplare, andererseits auch gute Modellorganismen für die Forschung. Der Zebrabärbling (Danio rerio), auch Zebrafisch genannt, ist in wissenschaftlichen Labors wie auch als Zierfisch in Aquarien sehr beliebt. Die wenige Zentimeter kleine Art trägt schwarzblaue und gelblich weiße Streifen.

Eine seiner bekanntesten Erforscherinnen ist Christiane Nüsslein-Volhard. Sie ist Biologin am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, wo sie bis vor wenigen Jahren auch die Abteilung Genetik leitete. Für ihre Entdeckungen zur genetischen Regulierung der frühen Embryonalentwicklung bekam sie zusammen mit zwei Kollegen 1995 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie. Derzeit beschäftigt sie sich vor allem mit der Entwicklung von Farbmustern. Vergangene Woche hielt sie auf Einladung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien einen Vortrag zum Thema.

Mutanten als Modell

Interessanterweise sind bei den Zebrafischen die namensgebenden Streifen noch nicht vorhanden, wenn die Jungtiere aus den Eiern schlüpfen: "Das Muster entsteht erst, wenn ein Fisch schon drei Wochen alt ist", sagt Nüsslein-Volhard. Um herauszufinden, welche Zelltypen und Gene das Muster beeinflussen, arbeitet sie traditionell mit Mutanten, deren Streifen sich nicht wie üblich ausbilden. "Wenn man die Gene identifiziert, die da mutiert sind, lernt man mehr über die molekularen Grundlagen, wie die Muster entstehen."

Zellen können auch über transgene Sonden markiert werden: Das Genom wird so verändert, dass in bestimmten Zelltypen ein fluoreszierender Farbstoff produziert wird. "Das kann man nutzen, um einzelne Zellen während ihrer Entwicklung zu verfolgen", sagt die Wissenschafterin. Im Falle der Mustererforschung sind das etwa Pigmentzellen.

Allgemein ist es bei Wirbeltieren so, dass Pigmentzellen nicht den gleichen Ursprung wie Hautzellen haben: Sie entstehen aus der sogenannten Neuralleiste. Diese embryonale Anlage unterscheidet Wirbeltiere und einige weitere Unterstämme von anderen Lebewesen wie etwa Insekten. Neben Pigmentzellen bildet die Neuralleiste auch Teile des Nervensystems aus.

Farbgebende Pigmentzellen

Säugetiere besitzen nur eine Art von Pigmentzellen, auch genannt Melanophoren oder Melanozyten. Deren Vorläufer verbreiten sich im Fötus und setzen sich vor allem in Haut und Haarfollikeln fest. Die Pigmente, die sie beispielsweise in die Haare abgeben, sorgen für helle über rote oder braune bis schwarze Farben.

Bei Vögeln läuft dies ähnlich ab, ihr Gefieder ist nur meist wesentlich bunter als das durchschnittliche Säugerfell. Das verdanken sie vor allem einer Reihe von Farbstoffen, die sie über die Nahrung zu sich nehmen. Carotinoide kommen mit am häufigsten in Vogelfedern vor und färben sie in Tönen von gelb bis rot.

Ein weiteres wichtiges Element sind sogenannte Strukturfarben: Sie haben nichts mit Pigmenten zu tun, sondern entstehen durch physikalische Effekte wie Interferenz. Ein Beispiel hierfür sind Pfauenfedern und ihre grünen, blauen und violetten Töne. Die schillernden Federn weisen feine Lamellen auf, durch die bestimmte Lichtwellenlängen ausgelöscht werden. Dies bewirkt, dass man ihre Komplementärfarben wahrnimmt.

Aber auch bei den Fischen finden sich schimmernde Farben, die man bei Säugetieren vergeblich sucht. Sie haben – ähnlich wie etwa auch Amphibien und Reptilien – neben den Melanophoren noch zwei weitere Arten von Pigmentzellen. Xanthophoren spielen für gelbe bis rote Färbung eine Rolle, Iridophoren reflektieren Licht und lassen silbrige oder blaue Töne entstehen.

Rätselhafte Musterbildung

Wie die Musterbildung beim erwachsen werdenden Zebrafisch abläuft, konnten Forscher bereits beobachten: "Nach ungefähr drei Wochen fängt die gelbe Zellsorte, die Xanthophoren, an, sich zu teilen und bedeckt den ganzen Körper", beschreibt Nüsslein-Volhard. Die anderen beiden Zelltypen entstehen neu aus Stammzellen und wandern entlang von Nerven in die Haut. "Dann fangen sie an, sich zu verteilen: Erst kommen die silbernen an und breiten sich aus, dann erscheinen die schwarzen Melanozyten da, wo die dunklen Streifen sein sollen."

Was genau steuert, in welchem Abstand wieder schwarze Pigmentzellen an den richtigen Stellen auftreten, ist bisher noch ein Rätsel. Auch wenn einzelne molekulare Regulationen erforscht wurden und die Zellen offenbar miteinander interagieren müssen: "Es ist sehr interessant, dass sich alle drei Zelltypen unterschiedlich verhalten und verändern, je nachdem, mit welchen Zellen sie in Kontakt kommen. Aber wie das genau funktioniert, da sind wir noch relativ ahnungslos."

Ein weiterer Ansatzpunkt sind nahe Verwandte des Zebrafisches, die andere Muster tragen: Der Perlhuhnbärbling etwa ist rotgefleckt. Sein Genom lässt sich mit dem des Zebrafischs vergleichen. Die verwandten Arten bewohnen in der Natur ähnliche Zonen, vor allem ruhige Flüsse und Seen in Indien und Südostasien. Daher ist es wahrscheinlich, dass sie anhand des Musters erkennen, wer zur eigenen Art gehört und wer nicht.

Sexuelle Farbaktivität

Zwischen Weibchen und Männchen gibt es optisch keinen ausgeprägten Unterschied. Männchen haben aber phasenweise einen wesentlich kräftigeren Gelbton, sagt Nüsslein-Volhard: "Wenn Männchen morgens sexuell aktiv werden, werden sie richtig gelb. Da sieht man dann auch die Streifen kaum noch." Forschungsbedarf besteht aber auch hier, denn: "Das Ganze ist sehr schwierig zu beobachten: Sobald man sich nähert oder einen Fisch einfangen will, wird er sofort blass."

Derzeit verändert Nüsslein-Volhards Forschungsgruppe auch gezielt das Erbmaterial der Fische an Stellen, die vermutlich wichtig für die Musterbildung sind. Dabei kommt das Genomeditierungsverfahren CRISPR/Cas9 zum Einsatz, das besonders effizient funktioniert. "Man kann schon im Tier, das man behandelt hat, sehen, ob ein Gen einen Effekt hervorruft." Auf die nächste Generation entsprechender Zebrafisch-Mutanten muss man also nicht wie sonst drei Monate warten – was die Forschung erheblich erleichtert. (Julia Sica, 8.6.2017)

  • Schillernde Exemplare und rätselhafte Muster: Fische haben verschiedene Arten von Pigmentzellen, die Licht reflektieren und verschiedene Farbtöne bewirken.
    foto: picturedesk / photoresearchers / mark smith

    Schillernde Exemplare und rätselhafte Muster: Fische haben verschiedene Arten von Pigmentzellen, die Licht reflektieren und verschiedene Farbtöne bewirken.

  • Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard.
    foto: toppress austria

    Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard.

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