Diese Genschalter unterscheiden uns vom Affen

Typisch Mensch: Wissenschaftler haben Genom-Regionen identifiziert, die für unsere einzigartig menschlichen Anpassungen verantwortlich sein könnten. Die HAQERs (Human Ancestor Quickly Evolved Regions) getauften DNA-Abschnitte steuern das Ablesen proteinkodierender Gene und tragen so zur Entwicklung unseres Gehirns, Verdauungstrakts und Immunsystems bei. Sie entwickelten sich kurz nachdem sich die Linien von Mensch und Schimpanse getrennt hatten. HAQERS bringen aber nicht nur Vorteile, sondern auch Krankheiten.

Wir Menschen unterscheiden uns selbst von unseren nächsten Primatenverwandten wie Schimpansen oder Gorillas. Doch die genetischen Ursachen für unsere „typisch menschlichen“ Merkmale sind bisher erst in Teilen geklärt – auch weil es bei den proteinkodierenden Genen kaum Unterschiede zu den Menschenaffen gibt. Dafür mehren sich die Hinweise darauf, dass die entscheidenden Veränderungen in den nicht-proteinkodierenden Teilen unseres Erbguts stattfanden – dem Teil, der lange als funktionslose „Junk-DNA“ galt.

Rapide Veränderung

In diesen nichtkodierenden Abschnitten unseres Genoms hat nun auch ein Team um Riley Mangan von der Duke University in den USA nach Spuren unserer Evolution gesucht. Bisher galten dabei vor allem die DNA-Sequenzen als vielversprechend, die lange stabil blieben, sich dann aber bei unseren Vorfahren schnell veränderten. „Man ging davon aus, dass eine solche Beschleunigung der molekularen Evolution eine Veränderung in der Selektion widerspiegelt“, erklären die Forschenden.

Im Gegensatz dazu haben Mangan und seine Kollegen nun auch die Erbgutregionen durchsucht, die sich schon zuvor dynamisch verändert haben. „Viele einzigartige Merkmale der menschlichen Anatomie, darunter Gehirngröße, die Proportionen der Gliedmaßen oder die Anatomie des Gesichts, waren auch bei nichtmenschlichen Arten nicht statisch“, erklären sie. Mithilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierung und Genomvergleichen suchten sie nach den DNA-Abschnitten in diesen Genomregionen, die sich nach Aufspaltung der Linien von Schimpanse und Mensch vor rund 7,5 Millionen Jahren besonders rapide wandelten.

HAQER in unserem Genom

Tatsächlich gelang es den Forschenden, über 1.500 solcher Abschnitte zu identifizieren. Sie tauften sie HAQERs (gesprochen wie „Hackers“), was für Human Ancestor Quickly Evolved Regions steht. Wie sie berichten, gehören diese DNA-Abschnitte zu den am schnellsten entwickelten des menschlichen Genoms. Doch wann fand dieser enorme Entwicklungsschub statt? Im Laufe der Vor- oder Frühmenschen-Evolution? Oder schon bei der Abspaltung vom Schimpansen?

Um das zu überprüfen, synthetisierten Mangan und seine Kollegen die 13 aussagekräftigsten Sequenzen ihrer HAQERs-Abschnitte und verglichen sie mit dem Genom von Neandertalern, Denisova-Menschen, Schimpansen und dem rekonstruierten Erbgut des mutmaßlichen gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Schimpanse.

Das Ergebnis: Die HAQERs haben sich entwickelt, nachdem sich unsere Familienlinie von der des Schimpansen getrennt hatte, aber bevor wir uns wiederum von den Denisova-Menschen und den Neandertalern abgespalten haben. Damit besaßen auch andere Vor- und Frühmenschenarten diese Sequenzen.

Finetuning für Gehirn und Darm

Doch was ist die Funktion der HAQER-Sequenzen? Die Wissenschaftler charakterisieren sie als regulierende DNA-Abschnitte, die wie eine Art Schalter funktionieren. „Dabei scheinen sie Gene sehr spezifisch einzuschalten. Sie tun dies nur in bestimmten Zelltypen und auch nur zu bestimmten Entwicklungszeiten. Oder sogar nur, wenn sich die Umwelt in irgendeiner Weise verändert“, erklärt Mangans Kollege Craig Lowe. Die HAQERs fügten dem menschlichen Betriebssystem einige Gen-Schalter hinzu, die es zuvor nicht gegeben hatte.

Wie nähere Analysen enthüllten, kommen diese Gen-Schalter vor allem bei der Entwicklung des menschlichen Gehirns, des Magen-Darm-Trakts und von Teilen des Immunsystems zum Einsatz. Die Gen-Schalter erlauben uns eine besondere Feinabstimmung, mit der wir uns gezielt an wechselnde Umwelteinflüsse anpassen können.

HAQERs als Auslöser typisch menschlicher Krankheiten

Doch wie sind die HAQERs entstanden? Normalerweise gibt es zwei gängige Erklärungsansätze für die schnelle Entstehung von Erbgut-Regionen: Entweder sie kommen durch lokale Mutationen zustande oder sie erweisen sich als derart vorteilhaft für eine Spezies, dass sie sich im Zuge der natürlichen Selektion durchsetzen. Bei den nun charakterisierten DNA-Sequenzen fanden die Wissenschaftler Anhaltspunkte für beide Erklärungen, „was darauf hindeutet, dass die Kombination dieser beiden Kräfte die am stärksten divergierenden Regionen im menschlichen Genom geformt hat.“

Indem die HAQERs uns menschlich gemacht haben, verliehen sie uns aber nicht nur positive Eigenschaften wie große Gehirne, sondern schufen auch die Grundlage für typisch menschliche Krankheiten, wie die Forschenden vermuten. Dazu könnten Bluthochdruck, unipolare und bipolare Depression sowie Schizophrenie gehören.

Obwohl alle Menschen überaus ähnliche HAQER-Sequenzen aufweisen, gibt es laut Mangan und Kollegen einige Abweichungen, „und wir konnten zeigen, dass diese Varianten tendenziell mit bestimmten Krankheiten korrelieren“, so Lowe. Wie genau dieser Zusammenhang aussieht, könnte Ziel weiterer Forschung sein. (Cell, 2022; doi: 10.1016/j.cell.2022.10.016)

Quelle: Duke University