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BIOspektrum | 04.12 | 18. Jahrgang

MATTHIAS PECHMANN, SARA KHADJEH, NATASCHA TURETZEK,

NIKOLA-MICHAEL PRPIC

JOHANN-FRIEDRICH-BLUMENBACH-INSTITUT UND GÖTTINGER ZENTRUM FÜR

MOLEKULARE BIOWISSENSCHAFTEN, UNIVERSITÄT GÖTTINGEN

The amazing biology of arthropods, their diversity in lifestyle and be -haviour, is largely based on evolutionary adaptations of their appendages.Our studies on spiders provide insight into the evolution of this diversityof appendage morphology and also answer the question why spiders have(only) eight legs.

DOI: 10.1007/s12268-012-0192-x© Springer-Verlag 2012

ó Bei vielen Menschen lösen Spinnen(Abb. 1) Ängste oder Abscheu aus. Dabei wirdoft übersehen, dass es gerade die Spinnensind, die faszinierende und einzigartigeLebens- und Verhaltensweisen entwickelthaben. Man denke nur an die Spinnseide, diezu den stabilsten Biopolymeren überhauptzählt und aus der viele Spinnenarten kunst-volle Netze bauen, die selbst menschlicheArchitekten staunen lassen. Diese Vielfalt anFertigkeiten der Spinnen wird durch ihre spe-zialisierten Körpergliedmaßen ermöglicht.Ohne die beweglichen Spinnwarzen amHinterleib könnten keine Spinnfäden erzeugtwerden, und ohne die besonderen Klauen undBorsten an den Laufbeinen würden sich dieSpinnen in ihren eigenen Netzen verfangen.Aber nicht nur bei der Fortbewegung undbeim Beutefang spielen die Gliedmaßen eineentscheidende Rolle. Selbst so fundamentaleLebensäußerungen wie Atmung und Fort-

pflanzung wären ohne spezielle Gliedmaßennicht denkbar: Männliche Spinnen besitzen

umgewandelte Taster (Pedipalpen), die art-spezifisch geformte Begattungsorgane (Bul-ben) tragen, mit denen es ihnen möglich ist,ihr Sperma in die Geschlechtsöffnung derWeibchen zu befördern. Und zur Atmungbesitzen die meisten Spinnen zwei unter-schiedliche Organe am Hinterleib, die Buch-lungen und ein Tracheensystem. Das Faszi-nierende daran: Auch diese beiden Organ-systeme entwickeln sich während der Embry-ogenese aus umgewandelten Gliedmaßen.

Die vielgestaltigen Gliedmaßen haben esden Spinnen also ermöglicht, erfolgreich neueLebensräume zu besetzen und neue Verhal-tensweisen zu entwickeln. Wie aber ist dieseVielfalt an Gliedmaßenformen während derEvolution entstanden? Welche entwicklungs-

Evolution von Entwicklungsmechanismen

Beinentwicklung und Gliedmaßen-Evolution bei Spinnen

˘ Abb. 1: Spinnenarten in unserem Labor.A, die Kammspinne Cupiennius salei (Ctenidae)aus Mittelamerika. B, die Vogelspinne Acan-thoscurria geniculata (Theraphosidae) aus Süd-amerika. C–F, die einheimischen Arten Pholcusphalangioides (Zitterspinne) (Pholcidae) (C),Tegenaria atrica (Hausspinne) (Agelenidae) (D),Parasteatoda tepidariorum (Gewächshausspin-ne) (E) und Parasteatoda lunata (Mond-Kugel-spinne) (F) (beide Theridiidae). Maßstab: A–D:1 cm; E, F: 0,5 cm.

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biologischen Prozesse und Gene sind daranbeteiligt? Um diese Fragen beantworten zukönnen, beginnt man am besten dort, wobereits Erkenntnisse zu ähnlichen Prozessenvorliegen. Die Taufliege Drosophila melano-gaster hat zwar weder Buchlungen nochSpinnwarzen, aber auch Fliegen haben Lauf-beine und viele wichtige Beinentwicklungs-gene sind bereits identifiziert worden (Über-sicht in [1]). So beginnt die Bildung der pro-ximal-distalen Achse der Fliegenbeine mit derExpression der Morphogene Wingless (Wg)und Decapentaplegic (Dpp). Wg wird auf derVentralseite gebildet, während Dpp gegenüberauf der Dorsalseite gebildet wird. Am Bil-dungsort ist die Konzentration des jeweiligenProteins am höchsten und nimmt mit zuneh-mender Entfernung ab. Jede Zelle im Beinkann nun also anhand der Konzentrationenvon Wg und Dpp ihre Entfernung zur jewei-ligen Quelle feststellen und somit ihre Positionim Bein ziemlich genau bestimmen. DieseInformation dient den Beinzellen dazu, nach-geschaltete Beinentwicklungsgene zu akti-vieren bzw. zu reprimieren [2, 3]. Zellen inder Beinspitze exprimieren beispielsweisedas Gen Distal-less (Dll), während Zellen im

mittleren Bereich des Beins das Gen dachs-hund (dac) exprimieren und Zellen der Bein-basis durch die Expression der beiden Kofak-toren homothorax (hth) und extradenticle (exd)gekennzeichnet sind.

Ein genetisches „Grundprogramm“für LaufbeineIn einem ersten Schritt haben wir daherHomologe dieser Fliegen-Gene aus der mittel-amerikanischen Kammspinne Cupienniussalei (Abb. 1A) (und anderen Spinnenarten)isoliert und deren Expression mit der ausDrosophila melanogaster bekannten Situa-tion verglichen [4, 5]. Es stellte sich heraus,dass die Expressionsmuster vieler Gene inSpinnen und Fliegen sehr ähnlich sind; esscheint also eine Art „Grundprogramm“ zugeben, das in diesen Arthropoden gleicher-maßen Laufbeine erzeugt (Abb. 2, [6]). Aller-dings zeigte sich im Detail auch eine Reihevon Variationen, die sowohl die Expressionvon wingless (wg) und decapentaplegic (dpp)als auch die zeitliche Dynamik und die Mus-ter der Expression von dac, Dll, hth und exdbetreffen. Die Variationen betreffen alsosowohl die oberste Ebene der Morphogen-

gradientenbildungals auch die nachge-schalteten Gene ent-lang der proximal-distalen Achse. ImAnschluss konntenwir zeigen, dass ähn-liche Variationenauch bei Genen auf-treten, die der dorso-ventralen Beinach-senbildung dienen(z. B. optomotor-blind(omb) und H15) [7].Diese Befunde sindvermutlich nichtüberraschend, denndie Beine von Spin-nen und Fliegen sindzwar typische Lauf-beine, deshalb je -doch natürlich mor-phologisch nicht völ-lig identisch. Die Ver-mutung liegt nahe,dass die beobachte-ten Variationen imgenetischen Ent-wicklungsprogrammletztendlich auch die-se morphologischen

Unterschiede bedingen.

Variation eines Themas – die Anzahlder LaufbeinsegmenteEin wichtiger Unterschied ist beispielsweisedie Anzahl der Beinsegmente (Podomeren).Spinnen haben sieben Podomeren, Fliegenaber nur fünf. In der Tat konnten wir zeigen,dass die Grenzen zwischen den Podomerenin C. salei durch die gleichen Mechanismenfestgelegt werden wie in D. melanogaster [8].Die Hauptrolle spielen dabei die Gene Notch(N) und Serrate (Ser) und der von ihnen kon-trollierte Notch-Signalweg. Beide Gene codie-ren für membrangebundene Proteine, durchdie benachbarte Zellen miteinander in Kon-takt treten können. Durch diese Zell-Zell-Kom-munikation legen die benachbarten Zelleneine Grenze zwischen sich fest, die dann zueiner Podomergrenze im fertigen Bein wird.Eben jene Gene der proximal-distalen Ach-senbildung (also z. B. dac, Dll) scheinen denNotch-Signalweg in C. salei wie in D. mela-nogaster zu kontrollieren. Somit führen alsodie oben erwähnten Variationen in der Dyna-mik dieser Gene zu den Variationen in derLage der Podomergrenzen und damit letzt -

˚ Abb. 2: Ein genetisches Grundmuster für eine beinähnliche Morphologie. Expression der Gene dachshund (A–D), Distal-less (E–H), homothorax-1 (I–L) und extradenticle-1 (M–P) in den embryonalen Gliedmaßen der Vogelspinne Acanthoscurriageniculata. Pedipalpen und Laufbeine sind morphologisch ähnlich und zeigen ähnliche Expressionsmuster, nicht aber dieChelizere (Giftklaue), die nicht beinähnlich ist. Die beinähnliche Genexpression in den Spinnwarzen korreliert mit der bei-nähnlichen Ausprägung dieser Gliedmaßen besonders bei Vogelspinnen (aus [12]).

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endlich zu den Unterschieden in der Anzahlder Podomeren in den Beinen von Spinnenund Fliegen.

Die Rolle der Hox-Gene – oder:Warum Spinnen (nur) acht BeinehabenEin weiterer wichtiger Unterschied ist, dassdie Laufbeine bei Insekten und Spinnen garnicht in vergleichbaren Segmenten liegenund somit streng genommen nicht homologsind. Die Segmente, an denen bei Spinnendie Laufbeine wachsen, tragen bei den Insek-ten hauptsächlich die Mundwerkzeuge. Die-se Aufteilung des Körpers und die Festle-gung der Identität der einzelnen Segmenteunterliegen der Kontrolle durch die Hox-Gene. In D. melanogaster und anderen Insek-ten liegen die Laufbeine in dem Bereich desKörpers, der durch das Hox-Gen Antenna-pedia (Antp) bestimmt wird (Übersicht in[9]). In Spinnen muss die Festlegung derLaufbeinidentität aber ganz anders erfolgen,denn in den entsprechenden Segmenten ist

das Spinnen-Homolog von Antp nicht expri-miert. Neben C. salei haben wir eine wei -tere Spinnenart, Parasteatoda tepidariorum(Abb. 1E), in unsere Forschung aufgenom-men, die für Studien zur Genfunktionbesonders geeignet ist. Hierzu kommt dieRNA-Interferenz (RNAi) zum Einsatz, bei derdie Injektion synthetischer RNA mit der Sta-bilität der endogenen mRNA eines ausge-wählten Gens interferiert und somit die Gen-funktion stört. Mittels RNAi haben wir inP. tepidariorum die Antp-Funktion gestörtund erhielten dadurch Spinnen, die statt achtBeinen nun zehn Beine hatten (Abb. 3A, B,[10]). Ganz offensichtlich ist die normaleFunktion von Antp in Spinnen nicht dieErzeugung, sondern die Unterdrückung vonzusätzlichen Beinen, und somit sorgt Antpfür den achtbeinigen Körperbauplan derSpinnen. Auch die Funktion anderer ausD. melanogaster be kannter Gene hält in Spin-nen einige Überraschungen bereit: Wir konn-ten zeigen, dass das Gen Dll in Spinnen nichtnur die Beinspitzen bestimmt, sondern sogar

in die frühe Segmentbildung eingreift [11].Stört man die frühe Funktion von Dll, so wirddas erste Laufbeinsegment überhaupt nichtgebildet. Das Resultat: Spinnen mit nur sechsBeinen (Abb. 3C, D).

Ausblick: Spinnen als Modelle fürBauplan-Evolution und ArtbildungBisher beschäftigen sich unsere Studienhauptsächlich mit den Laufbeinen undbeschränken sich auf wenige ausgewählteSpinnenarten. Die Vielfalt an Gliedmaßenty-pen und -formen bei Spinnen ist aber viel grö-ßer. Wir wollen deren Entstehung und Evolu-tion verstehen und erklären, wie die Verän-derung der genetischen Grundlagen durchdie Veränderung der morphologischen Formzu ökologischen und verhaltensbiologischenAnpassungen und schließlich auch zur Auf-spaltung in neue Arten führt. Um der Diver-sität der Spinnen besser Rechnung zu tragen,integrieren wir weitere Arten (Abb. 1) inunsere Forschung und haben damit bislanggute Erfahrungen gemacht [11, 12]. Jede Art

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hat ihre eigenen Ansprüche an die Haltungund Zucht im Labor, sodass wir uns zunächstentschieden haben, „Schlüsselarten“ zu wäh-len, die sozusagen „strategische“ Bezugs-punkte in der Diversität der Spinnen reprä-sentieren. Zum einen haben wir zwei Artengewählt, die entfernt verwandte Spinnen-gruppen repräsentieren: die VogelspinneAcanthoscurria geniculata (Abb. 1B) reprä-sentiert die Mygalomorphae, eine sehrursprüngliche Spinnengruppe, und die Zit-terspinne Pholcus phalangioides (Abb. 1C)repräsentiert die Haplogynae, phylogenetischdie Schwestergruppe der „höheren“ Spinnen(Entelegynae). Zum anderen wollen wir Ver-änderungen untersuchen, die zwischen sehrnah verwandten Arten auftreten. Dazu habenwir die Art Parasteatoda lunata (Abb. 1F) imLabor etabliert, die P. tepidariorum sehr ähn-lich ist, die aber eine andere Pedipalpenmor-phologie aufweist.

Dadurch rücken auch weitere Gliedma-ßentypen außer den Laufbeinen in den Fokusunserer Arbeit, wie etwa die Pedipalpen mitihren artspezifischen Bulben (Begattungsor-gane an den Tastern) oder die Buchlungenund Tracheen. Hier betreten wir nun Neu-land. Keines der „Modellsysteme“ kann hier

als Grundlage dienen: D. melanogaster hatkeine Buchlungen, keine Pedipalpenbulben,keine Chelizeren und auch keine Spinnwar-zen. Bei solchen evolutiven Innovationen istman zwangsläufig auf sein Untersuchungs-objekt als einzige Informationsquelle ange-wiesen. Das macht das Forschen schwieriger,aber umso faszinierender!

DanksagungWir danken allen gegenwärtigen und ehe-maligen Mitgliedern unserer Arbeitsgruppeund unseren Kollaborationspartnern. Wir dan-ken der Universität Göttingen, der DFG undder GGNB für finanzielle Unterstützung. ó

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Korrespondenzadresse:Dr. Nikola-Michael PrpicGeorg-August-Universität GöttingenJohann-Friedrich-Blumenbach-Institut für Zoologieund Anthropologie, Abteilung für Entwicklungs-biologieGöttinger Zentrum für Molekulare Biowissen-schaften, Ernst-Caspari-HausJustus-von-Liebig-Weg 11D-37077 GöttingenTel.: 0551-39-10124Fax: 0551-39-5416nprpic@uni-goettingen.dewwwuser.gwdg.de/∼nprpic

AUTOREN

Matthias Pechmann, Sara Khadjeh, NataschaTuretzek und Nikola-Michael Prpic (v. l. n. r.)

Das Team um Nikola-Michael Prpic forscht am Johann-Friedrich-Blumenbach-Institut der Univer-sität Göttingen und teilt eine gemeinsame Faszi-nation für die Biologie und Vielfalt der Arthropo-den. Die Autoren erforschen die Entwicklung undEvolution von Spinnen mit einem Schwerpunktauf den genetischen Grundlagen der Verände-rung der Gliedmaßenmorphologie. Ziel ist es, einen Einblick in die Prinzipien der morphologi-schen Evolution und deren Bedeutung für ökolo-gische und verhaltensbiologische Anpassungenund Artbildung zu bekommen.

¯ Abb. 3: Die GeneAntennapedia (Antp)und Distal-less (Dll)bestimmen den acht-beinigen Spinnenbau-plan. Die Störung derAntp-Funktion durchRNAi führt zur Bil-dung eines fünftenLaufbeinpaares („L5“)(B); Kontrolltierehaben die normalenvier Beinpaare (L1 bisL4) (A) (aus [10,© National Academyof Sciences]). Stö-rung der frühen Dll-Funktion führt zumAusfall des gesamtenL1-Segments; dieseTiere haben nur dreiBeinpaare (D, D’).Kontrolltiere besitzendagegen ganz normalvier Beinpaare (C, C’).