Typisch menschlich: Wissenschaftler haben genomische Regionen identifiziert, die unsere einzigartigen menschlichen Anpassungen erklären könnten. DNA-Abschnitte namens HAQER (Human Ancestor Quickly Evolved Regions) steuern das Ablesen proteinkodierender Gene und tragen so zur Entwicklung unseres Gehirns, Verdauungstrakts und Immunsystems bei. Sie entwickelten sich kurz nach der Trennung der Abstammungslinien von Mensch und Schimpanse. HAQERS bringen nicht nur Vorteile, sondern auch Krankheiten.
Menschen unterscheiden sich von unseren nächsten Primatenverwandten wie Schimpansen oder Gorillas. Allerdings sind die genetischen Ursachen unserer „typisch menschlichen“ Eigenschaften bisher nur teilweise aufgeklärt, auch weil es bei den Menschenaffen kaum Unterschiede in proteinkodierenden Genen gibt. Andererseits mehren sich die Hinweise darauf, dass die entscheidenden Veränderungen in den nicht-proteinkodierenden Teilen unseres Genoms stattfanden, dem Teil, der lange als „Junk-DNA“ ohne Funktion galt.
Schneller Wechsel
Auch ein Team um Riley Mangan von der Duke University in den USA hat in diesen nicht kodierenden Abschnitten unseres Genoms nach Spuren unserer Evolution gesucht. Als besonders vielversprechend galten bislang DNA-Sequenzen, die lange Zeit stabil blieben, sich dann aber bei unseren Vorfahren schnell veränderten. „Es wurde angenommen, dass diese Beschleunigung der molekularen Evolution eine Änderung der Selektion widerspiegelt“, erklären die Forscher.
Stattdessen haben Mangan und seine Kollegen nun auch nach Regionen des Genoms gesucht, die bereits dynamische Veränderungen erfahren hatten. „Viele einzigartige Merkmale der menschlichen Anatomie, wie Gehirngröße, Proportionen der Gliedmaßen oder Gesichtsanatomie, waren selbst bei nichtmenschlichen Arten nicht statisch“, erklären sie. Mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und Genomvergleichen suchten sie in diesen Regionen des Genoms nach den DNA-Abschnitten, die sich nach der Trennung von Schimpanse und Mensch vor etwa 7,5 Millionen Jahren besonders schnell veränderten.
DO in unserem Genom
Tatsächlich gelang es den Forschern, mehr als 1.500 solcher Abschnitte zu identifizieren. Sie nannten sie HAQER (ausgesprochen „Hackers“), was für „Human Ancestor Quickly Evolved Regions“ steht. Sie berichten, dass diese DNA-Abschnitte zu den sich am schnellsten entwickelnden im menschlichen Genom gehören. Doch wann kam es zu diesem gewaltigen Entwicklungsschub? Im Laufe der früheren oder frühen menschlichen Evolution? Oder beim Abschied vom Schimpansen?
Um dies zu testen, synthetisierten Mangan und seine Kollegen die 13 wichtigsten Sequenzen aus ihren HAQER-Segmenten und verglichen sie mit den Genomen von Neandertalern, Denisovanern, Schimpansen und dem rekonstruierten Genom des mutmaßlichen gemeinsamen Vorfahren von Menschen und Schimpansen.
Das Ergebnis: HAQER entwickelten sich, nachdem sich unsere Familie von der der Schimpansen getrennt hatte, aber bevor wir uns wiederum von Denisova-Menschen und Neandertalern trennten. Das bedeutet, dass auch andere vormenschliche und frühe menschliche Spezies diese Sequenzen hatten.
Anpassung für Gehirn und Darm
Aber was ist die Funktion von HAQER-Sequenzen? Wissenschaftler charakterisieren sie als regulatorische DNA-Abschnitte, die wie eine Art Schalter funktionieren. „Sie scheinen ganz gezielt Gene zu aktivieren. Das tun sie nur in bestimmten Zelltypen und nur zu bestimmten Zeitpunkten der Entwicklung. Oder auch nur dann, wenn sich die Umgebung in irgendeiner Weise verändert“, erklärt Mangans Kollege Craig Lowe. Die HAQER fügten dem menschlichen Betriebssystem einige genetische Schalter hinzu, die vorher nicht existierten.
Wie detaillierte Analysen ergaben, werden diese Genschalter vor allem bei der Entwicklung des menschlichen Gehirns, des Magen-Darm-Trakts und Teilen des Immunsystems eingesetzt. Genetische Schalter ermöglichen uns ein spezielles Tuning, mit dem wir uns gezielt an wechselnde Umwelteinflüsse anpassen können.
HAQERs als Auslöser typischer menschlicher Erkrankungen
Aber wie sind die HAQERs entstanden? Typischerweise gibt es zwei gängige Erklärungen für das schnelle Auftreten von Genomregionen: Entweder entstehen sie durch lokale Mutationen, oder sie sind für eine Art so vorteilhaft, dass sie sich im Zuge der natürlichen Selektion durchsetzen. In den nun charakterisierten DNA-Sequenzen fanden die Wissenschaftler Belege für beide Erklärungen, „was darauf hindeutet, dass die Kombination dieser beiden Kräfte die unterschiedlichsten Regionen des menschlichen Genoms geformt hat.“
Indem sie uns zu Menschen gemacht haben, haben HAQER uns nicht nur positive Eigenschaften wie große Gehirne verliehen, sondern auch die Grundlage für typische menschliche Krankheiten geschaffen, vermuten die Forscher. Dazu könnten Bluthochdruck, unipolare und bipolare Depression und Schizophrenie gehören.
Obwohl alle Menschen sehr ähnliche HAQER-Sequenzen haben, gibt es laut Mangan und Kollegen einige Variationen, „und wir konnten zeigen, dass diese Varianten dazu neigen, mit bestimmten Krankheiten zu korrelieren“, sagt Lowe. Wie genau dieser Zusammenhang aussieht, könnte Gegenstand weiterer Forschung sein. (Cell, 2022; doi: 10.1016/j.cell.2022.10.016)
Diese: Duke University
5. Dezember 2022
-Anna Manz