Herzen beflügeln Fliegen

491_549_BIOsp_0510.qxd
516
19.08.2010
7:51 Uhr
Seite 516
W I S S E N SCH AFT
Entwicklungsbiologie
Herzen beflügeln Fliegen
MARKUS TÖGEL 1, 2 , GÜNTHER PASS 2 , ACHIM PAULULAT 1
1 ZOOLOGIE UND ENTWICKLUNGSBIOLOGIE, UNIVERSITÄT OSNABRÜCK
2 DEPARTMENT FÜR EVOLUTIONSBIOLOGIE, UNIVERSITÄT WIEN, ÖSTERREICH
Insekten besitzen autonome Flügelherzen zur Hämolymphversorgung der
Flügel. Unsere Untersuchungen bei Drosophila haben gezeigt, dass diese
Organe auch bei der Entwicklung funktionsfähiger Flügel eine essenzielle
Rolle spielen.
Insects possess autonomous wing hearts for the hemolymph supply of
the wings. Our analyses in Drosophila have shown that these organs also
play an essential role in the development of functional wings.
ó Obwohl die Fähigkeit zu aktivem Flug viele ökologische Vorteile mit sich bringt, haben
nur wenige Tiergruppen einen Flugapparat
entwickelt. Entscheidend bei der Evolution
von Flügeln ist, dass die Körperanhänge eine
gute Aerodynamik besitzen und dennoch sehr
leicht sind. Insektenflügel können in diesem
Zusammenhang zu Recht als ein Wunderwerk
der Natur bezeichnet werden, da sie beide
Kriterien nahezu perfekt erfüllen. Die extrem
dünnen und flexiblen Flügelflächen werden
von Flügeladern durchzogen, die dem Flügel
die notwendige Steifheit verleihen (Abb. 1A).
Ermöglicht wird diese Leichtbauweise durch
die besonderen Eigenschaften des Baumate-
rials, der Protein-Chitin-Kutikula. Diese
besitzt aufgrund ihrer Mikrostruktur und
ihres Schichtaufbaus eine hohe Festigkeit,
gleichzeitig ist sie aber auch sehr flexibel und
leicht. Dadurch konnten sich bei den Insekten
vergleichsweise große Flügelflächen entwickeln, die die Körperfläche manchmal um ein
Vielfaches übersteigen (z. B. bei Schmetterlingen), aber dennoch sehr hohe Schlagfrequenzen aushalten (z. B. bei Fliegen).
Warum benötigen die Flügel der
Insekten Herzen?
Bei Insekten entstehen die Flügel aus sackartigen Ausstülpungen der Epidermis, deren
˚ Abb. 1: Flügelbau und Flügelentfaltung bei Drosophila. A, Leichtbauweise des Insektenflügels.
Die extrem dünnen, flexiblen Flügelflächen werden durch die Flügeladern versteift. B, Horizontalschnitt durch eine adulte Fliege. In den Flügeladern befinden sich lebende Zellen, während die
Flügelflächen aus aneinanderhaftender, azellulärer Kutikula bestehen. C, Die nach dem Schlupf
noch gefalteten Flügel werden durch das Einströmen von Hämolymphe entfaltet. Dieser Schritt
erfolgt unabhängig von den Flügelherzen.
innere Hohlräume mit der Leibeshöhle in Verbindung stehen. Im Verlauf der Flügelreifung
nähern sich die beiden Epidermisschichten
an, sparen aber kleine Hohlräume aus, die
später die Flügeladern bilden. Nach der letzten Häutung wird Körperflüssigkeit (Hämolymphe) in die noch gefalteten Flügelanlagen
gepresst, und die Flügel entfalten und glätten sich (Abb. 1C). Daraufhin lösen sich die
Epidermiszellen von der Flügelkutikula ab.
In weiterer Folge verkleben dann die obere
und untere Kutikulaschicht zu einer einheitlichen Flügelfläche. Der Prozess von der
ersten Entfaltung der Flügel bis zur vollständigen Aushärtung der Kutikulaschichten, dauert bei Drosophila etwa drei Stunden.
Obwohl nach Abschluss der Flügelentwicklung der größte und wichtigste Teil dieser Körperanhänge, die eigentlichen Flügelflächen, nur noch von der zuvor sezernierten
Kutikula gebildet werden, sind die Flügel
nicht einfach tote Strukturen. Sie enthalten
in den Flügeladern noch immer lebende Zellen in Form von Epidermiszellen, Nerven, Tracheen und Sinneszellen (Abb. 1B). Für die
Versorgung dieser Zellen ist ein kontinuierlicher Hämolymphaustausch in den Flügeladern notwendig. Das stellt Insekten allerdings vor ein strömungstechnisches Problem.
Insekten besitzen nämlich im Gegensatz zu
Wirbeltieren ein offenes Blutkreislaufsystem,
bei dem die Hämolymphe frei um die Organe
zirkuliert. Das einzige Gefäß ist der dorsal
gelegene muskulöse Herzschlauch, der durch
seitliche Einströmöffnungen die Hämolymphe
aus der Leibeshöhle aufnimmt und über peristaltische Kontraktionen in Richtung Kopf
pumpt. Am Ende des Herzrohres strömt die
Hämolymphe wieder frei in die Leibeshöhle.
Durch die Pumpaktivität dieses Herzschlauchs kann in engen und langen Körperanhängen, wie den Beinen, Antennen oder
den Flügeln, kein Austausch der Hämolymphe
erfolgen. Um auch diese Strukturen effizient
versorgen zu können, besitzen Insekten eigene Hilfsherzen. Die Organe für die verschiedenen Körperanhänge sind meist autonome
Kreislaufpumpen, die eine erstaunliche Vielfalt in ihrer Funktionsanatomie aufweisen.
Die Gesamtzahl dieser Hilfsherzen im Insektenkörper kann beträchtlich sein. Im VerBIOspektrum | 05.10 | 16. Jahrgang
491_549_BIOsp_0510.qxd
19.08.2010
7:51 Uhr
Seite 517
517
gleich zu ihrer Körpergröße sind Insekten
dadurch vielleicht sogar die herzreichsten Tiere und ihr Kreislaufsystem ist viel komplexer
als es die vereinfachten Lehrbuchdarstellungen vermuten lassen [1].
Transgene Drosophila ermöglichen
erste Einblicke in die Entwicklung der
Flügelherzen
Abgesehen von einigen winzigen Insekten,
bei denen gar keine Kreislauforgane nachgewiesen werden konnten, besitzen alle geflügelten Insekten Flügelherzen. Sie unterscheiden sich bei den verschiedenen Insektenarten allerdings deutlich in ihrer Anatomie. Allen Flügelherzen gemeinsam ist, dass
sie über röhrenförmige Verbindungen Hämolymphe aus den hinteren Flügeladern saugen.
Die Pumpen befinden sich unter einer Kutikulastruktur, die äußerlich als kleine dreieckige Erhebung am Rücken jedes flügeltragenden Thoraxsegments erkennbar ist und
als Scutellum bezeichnet wird. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Insektenarten betreffen hauptsächlich den beteiligten Muskelapparat. Bei den ursprünglichen
geflügelten Insekten bildet der Herzschlauch
im Rücken selbst die Pumpe, indem er eine
ampullenartige Erweiterung am Scutellum
bildet oder ein Gefäßdivertikel dorthin entsendet (z. B. bei Libellen). Bei verschiedenen
höheren Insekten gibt es auch vom dorsalen
Herzschlauch anatomisch getrennte Flügelherzen, die völlig autonom arbeiten. Sie können unpaar oder auch paarig in jedem flügeltragenden Segment ausgebildet sein (z. B.
Bienen, Schmetterlinge, Fliegen) [2, 3].
Bei Drosophila sind die Flügelherzen paarige Organe, die sich links und rechts im Scutellum an der Einmündung der röhrenförmigen Verbindung zu den Flügeln befinden. Sie
bestehen jeweils aus sieben bis acht parallel
laufenden syncytialen Muskelzellen und einer
dünnen, epithelartigen Zellschicht, die als
Rückschlagventil funktioniert. Aus welchen
Zellen diese Hilfsherzen entwicklungsgeschichtlich hervorgehen, wie sie sich bilden
und welche genaue Funktion sie erfüllen, war
bislang selbst beim gut untersuchten Modellorganismus Drosophila völlig unbekannt. Im
Zuge unserer Arbeiten am kardiogenen basischen Helix-Loop-Helix-Transkriptionsfaktor
Hand identifizierten wir regulatorische Elemente, die mit GFP fusioniert nicht nur das
Herz selbst, sondern auch die Flügelherzen
während der gesamten Entwicklung leuchten lassen [4]. Mithilfe dieser transgenen Drosophila-Linie konnten wir nun erstmals die
BIOspektrum | 05.10 | 16. Jahrgang
˚ Abb. 2: Entwicklung der Flügelherzen bei Drosophila. Acht Flügelherzvorläuferzellen (FH-Vorläuferzellen, FH-Vz) werden im Embryo angelegt. Je vier liegen im zweiten (T2) und dritten Thoraxsegment (T3). Alle acht Zellen sind untereinander zu einem Netzwerk verbunden. Im ersten und
zweiten Larvenstadium ruhen die Zellen. Im dritten Larvenstadium setzt die Teilung ein und führt
zur Bildung von acht Zellgruppen, die zu Beginn des Präpuppenstadiums noch in der ursprünglichen Anordnung liegen. Im Laufe des Präpuppenstadiums werden die acht Gruppen zu einer einzigen, großen Gruppe zusammengezogen, die sich im anschließenden Puppenstadium seitlich
teilt. Die Vorläuferzellen wandern in das sich bildende Scutellum ein und formen dort das Flügelherz. Die reifen Organe bestehen im adulten Tier aus sieben bis acht syncytialen Muskelzellen
mit vielen Kernen und einer dünnen Zellschicht, die als Rückschlagventil funktioniert. Über eine
röhrenförmige Verbindung zwischen hinterer Flügelader und Scutellum wird die Hämolymphe aus
dem Flügel gesaugt (Kerne markiert durch hand C-GFP; Zytoplasma durch hand C-DsRed; Muskel
durch Tropomyosin-GFP).
biologische Bedeutung der Flügelherzen im
lebenden Organismus näher untersuchen.
Die Anlagen für die Flügelherzen werden
bereits im Embryo gebildet. Es handelt sich
dabei um exakt acht Zellen, die zu einer Gruppe spezieller Perikardialzellen gehören, die
eng mit dem Herzen assoziiert sind. Sie kommen am Ende der Embryonalentwicklung dorsal vor dem Herzen zu liegen und bilden dort
ein kleines zusammenhängendes Netzwerk,
das während der nachfolgenden Larvenstadien eng mit Tracheenröhren verbunden
bleibt (Abb. 2). Gegen Ende der Larvalentwicklung beginnen sich diese Vorläuferzellen zu teilen und bilden nach einer Verlagerung und Loslösung von den Tracheen eine
Gruppe von etwa 300 Zellen, die mit dem
Beginn der Puppenphase zentral im zukünftigen zweiten Thoraxsegment direkt unterhalb der Epidermis zu liegen kommt.
Anschließend teilt sich dieser Zellhaufen, und
die Vorläuferzellen wandern nach jeder Seite
in das sich bildende Scutellum ein. Dort fusioniert ein Teil der Zellen, um jeweils sieben
bis acht syncytiale Muskelzellen zu bilden,
während ein anderer Teil der Zellen die als
Rückschlagventil funktionierende dünne Zellschicht ausbildet [5, 6].
Ohne Flügelherzen fliegen Fliegen nicht
Nachdem wir die Vorläuferzellen identifiziert
und die Entwicklung aufgeklärt hatten, versuchten wir die Organbildung genetisch und
mechanisch zu manipulieren, um Tiere ohne
funktionierende Flügelherzen zu erzeugen.
Damit sollte es möglich sein, die biologische
Bedeutung der Flügelherzen erstmals genauer zu untersuchen. Wie wir in unseren Untersuchungen gesehen haben, wird das Beiseitelegen jener acht Zellen, aus denen die Flügelherzen hervorgehen, durch die Inaktivierung des Nkx2-Homeoboxfaktors Tinman eingeleitet. Hält man die Expression von Tinman
in den Flügelherzanlagen künstlich aufrecht,
491_549_BIOsp_0510.qxd
518
19.08.2010
8:37 Uhr
Seite 518
W I S S E N SCH AFT
˚ Abb. 3: Funktion der Flügelherzen bei der Flügelreifung. Laser-induzierte Ablation des Flügelherzens der rechten Seite gegen Ende des Puppenstadiums in doppelt markierten Tieren (Flügelherzen markiert durch hand C-DsRed; Flügelepidermiszellen durch 30A>GFP) zeigt, dass nach
dem Schlupf des Tieres die Flügelentfaltung auf beiden Seiten normal verläuft. Der Abtransport
der abgelösten Epidermiszellen aus dem Flügel in den Körper erfolgt jedoch nur auf der Seite mit
intaktem Flügelherz. Als Folge findet der finale Schritt der Flügelreifung, die Verbindung der oberen und unteren Kutikula zu den dünnen, flexiblen Flügelflächen, nur bei diesem Flügel statt. Auf
der Körperseite ohne Flügelherz bleiben die Flügelflächen getrennt, wie es auch der Querschnitt
durch den Flügel zeigt. Der Flügel erscheint dadurch im Durchlicht trüb.
so kommt es zu Fehldifferenzierungen, und
die Flügelherzen werden gar nicht mehr ausgebildet. Neben dieser genetischen Manipulation bietet sich der Drosophila-Embryo auch
für mikrochirurgische Eingriffe an. Durch
Bestrahlung einzelner Zellen mit Laserlicht
hoher Intensität können Zellen im Embryo
gezielt abgetötet werden. Die Flügelherzanlagen bieten ideale Voraussetzungen für die
Anwendung dieser Technik, da sie relativ frei
von umgebendem Gewebe sind und dicht
unterhalb der Epidermis liegen. Daher wählten wir beide experimentelle Ansätze, die
Fehlexpression von Tinman und die Laserablation, um Tiere ohne Flügelherzen zu generieren. Anfangs waren wir vom Ergebnis dieser Experimente enttäuscht, da sich die Fliegen ohne Flügelherzen normal entwickelten
und keine markanten morphologischen Auffälligkeiten zeigten. Allerdings bemerkten
wir recht bald, dass Tiere ohne Flügelherzen
nur herumlaufen, aber nicht fliegen. Das
wiederum war ein Hinweis, dass die Flügelherzen offenbar von weitaus größerer Bedeutung sind, als bisher angenommen.
Bei Tieren ohne Flügelherzen erfolgen die
Entwicklung der Flügel und deren anschließende Entfaltung normal. Bemerkenswerterweise bleiben die Flügel aber auch mehrere
Stunden nach ihrer Entfaltung trüb. Ein Phänomen, das bei normaler Entwicklung nur
etwa eine halbe Stunde lang zu beobachten
ist. Mithilfe von Mehrfachmarkierungen, bei
denen die Flügelherzen rot und die Epithelzellen des Flügels im Fluoreszenzmikroskop
grün leuchten, konnten wir durch Zeitrafferaufnahmen zeigen, dass die Flügelherzen die
nicht mehr benötigten und von der Kutikula
abgelösten Epidermiszellen zusammen mit
der Hämolymphe aus dem Flügel saugen. Dies
ist notwendig, um den finalen Entwicklungsschritt bei der Flügelbildung, nämlich die Verbindung zwischen oberer und unterer Flügelkutikula, zu ermöglichen. Fehlen die Flügelherzen, dann verbleiben die abgelösten
Epidermiszellen in den Flügeln und verhindern die Verbindung der Kutikulaschichten.
Als Folge bleiben die Flügel trüb und schwer
(Abb. 3). Fliegen mit solchen unfertigen Flügeln können nicht fliegen!
Sind Flügelherzen eine notwendige
Voraussetzung für die Evolution der
Insektenflügel?
Aus phylogenetischen Untersuchungen wissen wir, dass die funktionelle Anbindung des
Herzschlauchs an das Scutellum die ursprüngliche Form der Flügelkreislauforgane
ist. Autonome Flügelherzen sind innerhalb
der geflügelten Insekten mehrfach unabhängig voneinander entstanden. Vermutlich
waren Entwicklungen des Flugmotors, die
eine ständige Verformung des Thoraxskeletts
beim Fliegen bedingen, der tiefere Grund für
die Loslösung des Herzschlauchs vom Scutellum. Interessanterweise ging dabei die
Hämolymphversorgung der Flügel nicht einfach verloren, sondern es wurden neue Muskeln rekrutiert, die diese Aufgabe übernahmen. Unsere Untersuchungen an Drosophila
zeigen nun erstmals, dass die Flügelherzen
auch eine essenzielle Funktion bei der Entwicklung von funktionsfähigen Flügeln
haben. Das könnte erklären, warum diese
Organe für Insekten so wichtig sind. Als Entsorger der nicht mehr benötigten Epidermiszellen waren sie offenbar eine notwendige
Grundvoraussetzung für die Evolution der
Leichtbauweise der Insektenflügel.
Die Entstehung der Insektenflügel gilt oft
als Lehrbuchbeispiel für die Entwicklung evolutionärer Innovationen. Die ersten Insekten,
die sogenannten Ur-Insekten, waren nämlich
noch flügellos. Zur Bildung solcher Innovationen bedarf es der Rekrutierung und des
Umbaus verschiedener Bauelemente. Im Falle der Insektenflügel ist es neben der Bildung
einer Hautfalte mit Tracheen und Sinnesorganen auch die Evolution von Flügelherzen,
wie wir nun wissen. Um flugfähig zu werden,
sind noch eine ganze Reihe weiterer Änderungen des Bauplans notwendig: Umbau des
Thoraxskeletts, Bildung der Flügelgelenke
und des Muskelmotors mit der gesamten
physiologischen Steuerung. Wie dieses Zusammenspiel von Rekrutierung und Umbau
von so vielen Bauelementen trotz ständig wirkender Selektion zustande kommen kann, ist
nach wie vor kaum verstanden.
Danksagung
Die Autoren danken Christine Lehmacher für
die histologischen und elektronenmikroskopischen Analysen. Die Arbeit wird im Rahmen eines Kooperationsprojekts der Universitäten Osnabrück und Wien vom Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) und vom EUNetwork of Excellence MOYRES gefördert.ó
Literatur
[1] Pass G (2000) Accessory pulsatile organs: evolutionary
innovations in insects. Annu Rev Entomol 45:495–518
[2] Krenn HW, Pass G (1994) Morphological diversity and
phylogenetic analysis of wing circulatory organs in insects,
part I: Non-Holometabola. Zoology 98:7–22
BIOspektrum | 05.10 | 16. Jahrgang
491_549_BIOsp_0510.qxd
19.08.2010
7:51 Uhr
Seite 519
519
[3] Krenn HW, Pass G (1995) Morphological diversity and
phylogenetic analysis of wing circulatory organs in insects,
part II: Holometabola. Zoology 98:147–164
[4] Sellin J, Albrecht S, Kölsch V et al. (2006) Dynamics of
heart differentiation, visualized utilizing heart enhancer elements of the Drosophila melanogaster bHLH transcription factor Hand. Gene Expression Patterns 6:360–375
[5] Tögel M, Pass G, Paululat A (2008) The Drosophila wing
hearts originate from pericardial cells and are essential for
wing maturation. Dev Biol 318:29–37
[6] Lehmacher C, Tögel M, Pass G et al. (2009). The
Drosophila wing hearts consist of syncytial muscle cells that
resemble adult somatic muscles. Arthropod Struct Dev
38:111–123
Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. Achim Paululat
Fachbereich Biologie/Chemie
Abteilung Zoologie und Entwicklungsbiologie
Universität Osnabrück
Barbarastraße 11
D-49069 Osnabrück
Tel.: 0541-9692861
Fax: 0541-969-2587
[email protected]
AUTOREN
Markus Tögel
Biologiestudium an der Universität Wien mit den Schwerpunkten Zoologie und Genetik. 2004 Diplomarbeit bei Prof. Dr. Pass. Seit 2005 Doktorand an den Universitäten
Osnabrück und Wien.
Günther Pass
Biologiestudium an der Universität Wien. 1974 Promotion. 1975 Assistenzprofessor
am Institut für Zoologie, Universität Wien. 1976–1988 Forschungsaufenthalte an der
Universität Jena bei Prof. Dr. Penzlin. 1988 Habilitation in Zoologie. 1996 Forschungsaufenthalt an der University of Washington bei Prof. Dr. Edwards. 2006 Gastprofessor an der University of Kyoto, Japan. Seit 1989 außerordentlicher Professor
am Department für Evolutionsbiologie der Universität Wien.
Achim Paululat
Chemie- und Biologiestudium an der Universität Münster. 1987 Staatsexamen. 1992
Promotion bei Prof. Dr. Ribbert, Münster. 1992–2004 wissenschaftlicher Assistent bei
Prof. Dr. Renkawitz-Pohl, Marburg. 1996 Forschungsaufenthalt an der Harvard Medical School in Boston bei Prof. Dr. Michelson. 2000 Habilitation in Entwicklungsbiologie und Zoologie. Seit 2004 Professor für Zoologie und Entwicklungsbiologie an der
Universität Osnabrück.