Evolutionäre Entwicklungsbiologie

Wie Veränderungen in Entwicklungsprozessen evolutionäre Veränderungen der Körperform hervorrufen und wie ein gemeinsamer genetischer Werkzeugkasten die Vielfalt des tierischen Lebens prägt.

Definition

Die evolutionäre Entwicklungsbiologie ist die Untersuchung, wie sich Entwicklungsprozesse und die sie steuernden Gene im Laufe der Evolution verändern, um Formunterschiede zu erzeugen, und wie diese Prozesse die morphologische Evolution einschränken und ermöglichen.

Scope

Dieser Bereich, gemeinhin als Evo-Devo bezeichnet, untersucht die Beziehung zwischen Entwicklung und Evolution: wie Modifikationen an Entwicklungsgenen und deren Regulation neue Morphologien hervorbringen, die tiefe Homologie, die durch einen konservierten Entwicklungs-Werkzeugkasten, der bei Tieren geteilt wird, offenbart wird, die Einschränkungen und die Plastizität, die den evolutionären Wandel kanalisieren und ermöglichen, sowie die Rolle von Veränderungen im Entwicklungszeitpunkt. Er integriert Entwicklungsgenetik mit vergleichender und evolutionärer Biologie.

Sub-topics

• Cis-regulatorische Evolution
• Tiefe Homologie und Toolkit-Gene
• Entwicklungsbedingte Beschränkung und Plastizität
• Heterochronie und Entwicklungszeitpunkt

Core questions

• Wie führen Veränderungen in der Entwicklung zu evolutionären Veränderungen der Körperform?
• Warum teilen weit entfernte Tierarten so viele Entwicklungs-Gene?
• Wie schränken oder erleichtern Entwicklungsprozesse den evolutionären Wandel?
• Wie verändert die Anpassung des Entwicklungszeitpunkts die Morphologie?

Key theories

Konservierter genetischer Entwicklungs-Werkzeugkasten

Tiere teilen einen gemeinsamen Satz von Regulationsgenen, die die Entwicklung gestalten, sodass ein Großteil der morphologischen Evolution aus Veränderungen in der Art und Weise resultiert, wie und wo diese konservierten Gene eingesetzt werden, anstatt aus der Erfindung neuer Gene.

Regulatorische (cis-regulatorische) Evolution der Form

Veränderungen in der regulatorischen DNA, die steuert, wann und wo Entwicklungs-Gene exprimiert werden, sind eine Hauptquelle der morphologischen Evolution, wodurch sich die Form ändern kann, während die Proteine selbst konserviert bleiben.

Mechanisms

Evolutionäre Formveränderungen resultieren häufig aus der Veränderung des Einsatzes eines konservierten Satzes von Entwicklungsregulatoren und nicht aus neuen Genen. Mutationen in cis-regulatorischen Elementen können ändern, wo, wann und wie stark ein Entwicklungsgen exprimiert wird, wodurch eine Struktur modifiziert wird, ohne andere Rollen des Gens zu stören. Dieselben Werkzeugkasten-Gene, einschließlich der Hox-Cluster, gestalten die Körper weit divergenter Tiere und erzeugen eine tiefe Homologie, bei der ähnliche Gene Strukturen zugrunde liegen, die nicht direkt als dasselbe Organ vererbt werden. Die Entwicklung legt auch Einschränkungen auf – einige Varianten sind schwer zu erzeugen – während die Entwicklungsplastizität es Organismen ermöglicht, als Reaktion auf die Umwelt alternative Formen zu generieren, beides prägt die Wege, die die Evolution nehmen kann.

Clinical relevance

Evo-Devo beleuchtet die Ursprünge von Körperstrukturen und die konservierten Signalwege, die bei Störungen angeborene Anomalien verursachen, und bietet einen evolutionären Kontext für die menschliche Entwicklung und Fehlbildungen. Dieser Eintrag dient der Bildung und ist keine klinische Leitlinie.

History

Die Erkenntnis, dass Tiere einen konservierten Entwicklungs-Werkzeugkasten teilen, beginnend mit der Entdeckung, dass Homeobox-Gene Körperachsen über Phyla hinweg gestalten, führte zur modernen evolutionären Entwicklungsbiologie, die die Untersuchung der Entwicklung mit der Evolutionstheorie wiedervereinte.

Key figures

• Sean B. Carroll
• Stephen Jay Gould
• Walter Gehring
• Edward B. Lewis

Seminal works

• carroll2005
• lewis1978
• gilbert2016

Frequently asked questions

Was ist Evo-Devo?

Evo-Devo, oder evolutionäre Entwicklungsbiologie, untersucht, wie Veränderungen in der Entwicklung evolutionäre Veränderungen der Körperform hervorrufen und wie ein gemeinsamer Satz von Entwicklungsgenen die Tiervielfalt prägt.

Wenn Tiere so viele Gene teilen, warum sehen sie dann so unterschiedlich aus?

Ein Großteil der Unterschiede resultiert aus Veränderungen, wann und wo gemeinsame Entwicklungs-Gene angeschaltet werden, anstatt aus völlig unterschiedlichen Genen.