Treiber der Evolution: Eine Genfamilie auf dem ersten Chromosom könnte für ein einzigartiges Merkmal des Menschen verantwortlich sein: unser großes Gehirn. Denn wie zwei Forscherteams entdeckt haben, ist diese NOTCH2NL-Genfamilie nur bei uns funktionsfähig und besonders ausgeprägt. Ihre Aktivität fördert die Bildung zusätzlicher Hirnzellen und damit das Wachstum der Großhirnrinde. Sie könnten damit der Treiber für das Hirnwachstum unserer Vorfahren gewesen sein, so die Forscher im Fachmagazin „Cell“.
Wir Menschen haben ein im Verhältnis zum Körper ungewöhnlich großes Gehirn – dies gilt als Basis unserer Intelligenz. Doch was ermöglichte das Hirnwachstum bei unseren Vorfahren? Klar scheint, dass eine bessere Energieversorgung des Denkorgans eine Rolle spielte, beispielsweise durch stärkehaltigere und vielleicht auch gekochte Nahrung. Doch welche biologischen Mechanismen die Triebkraft dieses Größenwachstums waren, blieb bisher unklar.
Genfamilie nur beim Menschen aktiv
Jetzt haben gleich zwei Forschergruppen eine mögliche Antwort gefunden. David Haussler von der University of California in Santa Cruz und sein Team hatten für ihre Studie die Genexpression im Gehirn von Menschen und Makaken verglichen und dabei besonderes Augenmerk auf die Regulation der neuronalen Stammzellen gelegt.
Es zeigte sich: Eine ganze Genfamilie, der sogenannte NOTCH2NL-Komplex auf dem ersten Chromosom, ist zwar in menschlichen Gehirnzellen aktiv, nicht aber bei den Affen. Auch bei Orang-Utans, Schimpansen und Gorillas fanden die Forscher nur eine verkürzte, inaktive Version dieser Gengruppe. Ihren Ergebnissen nach wurde die NOTCH2NL-Genfamilie erst vor rund drei bis vier Millionen Jahren bei unseren Vorfahren repariert und mehrfach dupliziert.
Mehr Hirnzellen durch kopierte Gene
Das Interessante daran: Die NOTCH-Gene gelten als Schlüsselfaktoren für das Organwachstum bei nahezu allen Tieren einschließlich des Menschen. Welche Rolle die typisch menschliche NOTCH2NL-Familie für die Hirnentwicklung spielt, hat das zweite Forscherteam um Pierre Vanderhaeghen von der Freien Universität Brüssel untersucht. Sie pflanzten Mäuseembryos menschliche NOTCH2NL-Gene ein und beobachten, wie sich dies auf die Hirnentwicklung auswirkte.
Und tatsächlich: Die Zahl der Neuronen-Vorläuferzellen im Gehirn der Tiere stieg deutlich an. In Kulturen menschlicher Hirnstammzellen machten die Wissenschaftler dann den Gegentest: Sie entfernte diese Gengruppe aus dem Erbgut einiger Zellen und ließen sie zu Organoiden heranwachsen. Es zeigte sich: Ohne NOTCH2NL entwickelten sich die Protohirne zwar schneller, blieben aber klein.
Einzigartig menschlich
Nach Ansicht beider Forscherteams spricht dies dafür, dass diese Genfamilie ein Schlüsselfaktor für das menschliche Hirnwachstum sein könnte. „Die mehrfache Duplizierung der NOTCH2NL-Gene und die typisch menschliche Ausstattung mit dieser Genfamilie deutet darauf hin, dass sie Schlüsselkontrolleure der menschlichen Hirngröße und -funktion sind“, sagt Vanderhaeghen. „Weniger Kopien von NOTCH2NL führen zu geringerer Hirngröße, während mehr Kopien ein Wachstum des Gehirns bewirken.“
Noch allerdings sind einige Fragen offen, wie die Forscher betonen. So ist der genaue Mechanismus noch unbekannt, über den die NOTCH2NL-Gene das Hirnwachstum ankurbeln. Zudem gibt es noch weitere Gene, die eine Rolle spielen könnten: „Spannenderweise gibt es in der gleichen Erbgutregion noch weitere menschenspezifische Gene mit unbekannter Funktion“, sagt Vanderhaeghen. „Es wird interessant sein herauszufinden, ob sie möglicherweise weitere Aspekte der Hirnentwicklung kontrollieren.“ (Cell, 2018; doi: 10.1016/j.cell.2018.03.067; doi: 10.1016/j.cell.2018.03.051)
(Cell Press, Flanders Institute for Biotechnology, 01.06.2018 – NPO)
