Das Primaten-Rätsel

Vor etwa acht bis zwölf Millionen Jahren müssen der evolutionäre Vorfahre des Menschen, der Schimpanse, sowie die ihm verwandten Orang-Utans einen Evolutionssprung vollführt haben. Forscher am Evan Eichler-Labor der University of Washington glauben nun, den Grund dafür gefunden zu haben: DNA-Sequenzen, die sich in diesem Zeitraum vervielfältigten. Diese Mechanismen der genetischen Veränderung, die erst seit einigen Jahren genauer untersucht werden, erlaubten den Primaten offenbar eine evolutionäre Flexibilität, die die Entwicklung anderer Menschenaffen vorantrieb – und schließlich das Aufkommen des Menschen.

Wenn sich ein DNA-Abschnitt aus Versehen vervielfältigt, werden zusätzliche Kopien eines oder mehrerer Gene in dieser Region dem Genom hinzugefügt; diese Gene können dann für sich genommen wieder mutieren. "Die Vervielfältigung ist aus der evolutionären Perspektive wirklich wichtig, weil sie dem Genom sehr viel mehr Abwechslung gibt", sagt Tomas Marques-Bonet, der die Theorie mit seinem Team entwickelt hat. "Diese Regionen entwickeln sich sehr schnell."

Die meisten Untersuchungen der genetischen Ähnlichkeit zwischen Menschen und anderen Primaten haben sich auf Veränderungen einzelner Buchstaben im Genom konzentriert und diese als Basis der größten evolutionären Veränderungen angenommen. Inzwischen entdecken Wissenschaftler allerdings ach die Wichtigkeit struktureller Veränderungen, zu denen Löschungen und Vervielfältigungen ganzer DNA-Segmenten gehören, deren Länge sich in Bereichen zwischen 1000 und 100.000 Buchstaben bewegt. Diese Regionen werden von sich wiederholenden Abschnitten flankiert, von denen man annimmt, dass sie Fehler im DNA-Replizierungsprozess von Zellen auslösen und solche Vervielfältigungen erst möglich machen.

"Erst seit kurzem haben wir die notwendigen Sequenzierungsdaten und Genom-Werkzeuge, mit denen wir diese Bereiche untersuchen und ihre Rolle in der Evolutionsgeschichte verstehen lernen können", sagt George Perry, Forscher an der University of Chicago. Das Schimpansen-Genom wurde 2005 veröffentlicht, entsprechende Projekte beim Orang-Utan und bei Makaken laufen noch. Hinzu kommt, dass Wissenschaftler sich inzwischen spezialisierte Microarrays bauen lassen können, um schnell eine große Anzahl bestimmter Vervielfältigungen im Genom zu erkennen.

Marques-Bonet und seine Kollegen analysierten die Genomsequenz vierer Primaten-Spezies: Menschen, Schimpansen, Orang-Utans und Makaken. Menschen, Schimpansen und Orang-Utans stammen von der afrikanischen Menschenaffenlinie ab und teilen sich vor etwa 12 Millionen Jahren einen gemeinsamen Stammvater. Makaken setzten sich hingegen bereits vor 25 Millionen Jahren von einer gemeinsamen Primatenherkunft ab. Beim Vergleich der Bereiche mit DNA-Vervielfältigungen in der Sequenz fiel eine starke Zunahme selbiger auf – und zwar kurz vor dem Zeitpunkt, an dem sich Orang-Utans vom gemeinsamen Stamm lösten. Ein zweiter Burst ergab sich bei der Trennung von Schimpanse und Mensch, heißt es in Marques-Bonets Studie weiter, die in "Nature" veröffentlicht wurde. Die Zunahme der Vervielfältigungen ging dabei sogar mit einem Rückgang bei den Veränderungen einzelner Buchstaben einher.

Noch sind sich Forscher nicht einig darüber, wie genau die Beschleunigung bei der DNA-Vervielfältigung bei den Vorfahren von Mensch und Schimpanse entstand. Auch die Auswirkungen auf die menschliche Evolution sind unklar. Beispielsweise lässt sich noch nicht sagen, ob die Genveränderungen in dieser Periode tatsächlich einen evolutionären Vorteil für ihre Träger hatten. "Wir denken, dass die Vervielfältigungen das Genom dynamischer machen", sagt Marques-Bonet. Ein solches dynamisches Genom habe aber zwei Seiten: Die Veränderungen könnten positiv sein, aber auch mit Krankheiten einhergehen. DNA-Vervielfältigungen scheinen laut aktuellen Forschungsergebnissen etwa bei Autismus, Schizophrenie und Entwicklungsverzögerungen eine Rolle zu spielen.

Noch weiß außerdem niemand, ob die Beschleunigung bei Schimpanse und Mensch wirklich einzigartig ist. "Diese grundlegenden Mutationen laufen bereits seit mindestens 90 Millionen Jahren ab", glaubt Nick Patterson, Genetiker am Broad Institute im amerikanischen Cambridge. Die Frage sei nun, ob etwas Ungewöhnliches beim Menschen erfolgt sei. "Ich zweifle daran, dass wir dafür schon genügend Daten haben." Ein entsprechender Vergleich würde die Erfassung der Genomsequenzen zahlreicher verwandter Säugetierspezies erfordern.

Vervielfältigungen haben wahrscheinlich andere evolutionäre Aufgaben als Veränderungen bei einzelnen Buchstaben. Beide entstehen durch Fehler auf molekularer Ebene, die im Hinblick auf die Reproduktionsfähigkeit entweder hilfreich, schädlich oder neutral sein können. Die meisten Einzelbuchstaben-Veränderungen fallen in letztere Kategorie. Weil Vervielfältigungen oft die Anzahl der Kopien auf einem Gen erhöhen und damit potenziell die Proteinkonzentration, die es produziert, verstärkt, dürften die Auswirkungen auf den Träger deshalb größer sein.

Hinzu kommt, dass Veränderungen an einzelnen Buchstaben zwar ein bestimmtes Protein mehr oder weniger wirksam machen können, indem seine Struktur leicht verändert wird. Vervielfältigungen, die zusätzliche Kopien eines DNA-Bereiches schaffen, erlauben diesen aber sogar, sich für vollkommen neue Zwecke umzugestalten. "Man hat zwei Kopien, die voneinander divergieren können", sagt Forscher Perry. Eine Kopie könne dann eine Mutation durchlaufen und neue Funktionen erhalten, die für die Biologie des Organismus wichtig werde. Die Fähigkeit, in Farbe zu sehen, scheint bei Primaten durch die Verdopplung des Gens für das Sehpigment entstanden zu sein. "Mit dieser Art von Analyse können wir damit beginnen, andere betroffene Gene zu identifizieren und die potenziellen Auswirkungen auf die Biologie einer Spezies untersuchen."

Die meisten Vervielfältigungen, die in Marques-Bonets Studie analysiert wurde, finden sich sowohl beim Menschen, bei Schimpansen und bei Gorillas – mehr als 80 Prozent sogar. Die Gene in vervielfältigten Regionen, die nur beim Menschen vorkommen, sind allerdings solche, die bislang noch fast nicht charakterisiert sind. "Wir fanden mehr als 30 Gene, die nur beim Menschen doppelt vorkommen. Wir wissen aber noch immer nicht, was sie genau tun", sagt Marques-Bonet. (bsc)