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Das Gen, das uns menschlich macht?
Ein kleiner Abschnitt der DNA, der sich beim Menschen schnell entwickelt hat, könnte eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Evolution des menschlichen Gehirns spielen, so eine gestern online in der Zeitschrift veröffentlichte Forschung Natur . Obwohl Wissenschaftler noch nicht genau wissen, wie das Gen im Gehirn funktioniert, wissen sie, dass die Sequenz für den Menschen völlig einzigartig ist und in der Hirnrinde – die für komplexes Denken verantwortlich ist – während einer Schlüsselphase der Gehirnentwicklung exprimiert wird.
Das ist eine sehr spannende Erkenntnis, sagt Bruce Lahn , einem Genetiker, der Gehirnevolution an der University of Chicago studiert. Es bringt uns dem übergeordneten Ziel, die Evolution des menschlichen Gehirns auf der Ebene der Gene zu verstehen, einen Schritt näher.
Irgendwann in den letzten fünf bis sieben Millionen Jahren, als sich Menschen und Schimpansen auf dem Evolutionsbaum voneinander trennten, wurde unser Gehirn dreimal so groß wie das unserer nächsten Primatenverwandten. Dieses beeindruckende Wachstum war größtenteils auf die Ausdehnung der Großhirnrinde zurückzuführen, der äußeren Schicht des Gehirns, die für logisches Denken und andere Arten von komplexem Denken verantwortlich ist. Seit die Sequenzen des menschlichen und anderen tierischen Genoms für Studien zugänglich sind, durchforsten Wissenschaftler riesige DNA-Steine nach genetischen Hinweisen auf den einzigartigen Wachstumsschub unseres Gehirns – und auf die biologischen Veränderungen, die uns einzigartig machen.
In der neuen Veröffentlichung verglichen Forscher der University of California in Santa Cruz das menschliche Genom mit dem Genom von Schimpansen, Hunden, Ratten, Mäusen und Hühnern und suchten nach genetischen Sequenzen, die während der Evolution hoch konserviert und daher funktionell wichtig waren. Sie suchten dann nach Sequenzen innerhalb dieser konservierten Regionen, die sich beim Menschen schnell verändert hatten, was darauf hindeutet, dass diese Veränderungen für die einzigartige Evolution des Menschen wichtig waren.
Die Forscher identifizierten mehrere sich schnell entwickelnde DNA-Stücke, aber das mit Abstand schnellste Stück war eine kleine DNA-Kette, die Teil eines Gens ist, das im Hippocampus exprimiert wird, das am Lernen und Gedächtnis beteiligt ist. Den Ergebnissen zufolge war die Sequenz bei Hühnern und Schimpansen sehr ähnlich, mit nur zwei Änderungen des genetischen Codes; aber es hatte sich in der menschlichen DNA bemerkenswert verändert und zeigte 18 genetische Unterschiede gegenüber der Version bei Schimpansen.
Das hat wirklich bestätigt, dass diese [Sequenz] spezifisch für die menschliche Abstammung ist, sagt David Haussler , einem Genomik-Experten an der UCSC, der die Arbeit leitete. Wir haben auch menschliche DNA von verschiedenen Menschen auf der ganzen Welt sequenziert – jeder scheint diese 18 Variationen zu haben.
Die Forscher entdeckten dann, dass das Gen, bekannt als HAR1F, hat einige noch verlockendere Eigenschaften: Es wird in einer bestimmten Gruppe von Zellen im menschlichen Gehirn zwischen der 9. und 19. Schwangerschaftswoche exprimiert – wenn sich die Hirnrinde in einer rasanten Entwicklungsphase befindet. Es ist im Wesentlichen die Anfangsphase der Entwicklung des Kortex, des denkenden Teils des Gehirns, sagt Haussler. Das ist der Teil unseres Gehirns, der in den letzten Millionen Jahren der Evolution so viel größer geworden ist.
Da Wissenschaftler die Funktion des Gens noch nicht kennen, ist es schwierig, seine Rolle bei der Gehirnentwicklung oder der menschlichen Evolution vorherzusagen. Das Auffinden dieser sich schnell entwickelnden Gene ist ein Ausgangspunkt für das Verständnis der menschlichen genetischen Evolution, sagt Lahn, aber es sagt uns nicht, wie Veränderungen in der genetischen Sequenz zu Veränderungen in der menschlichen Biologie führen.
In der Tat, HAR1F ist eher mysteriös. Es kodiert nur für eine RNA, während die meisten Gene letztendlich für ein Protein kodieren. Während andere RNA-kodierende Gene identifiziert wurden – RNA-Gene haben manchmal eine regulatorische Funktion, die die Produktion eines Proteins verändern – ähnelt diese Sequenz keinem der bekannten RNA-Gene. Das Gen scheine ein Gen in einem eigenen Universum zu sein, sagt Lahn.
Das Gen unterscheidet sich auch von zuvor identifizierten Genen, die eine Rolle bei der Evolution des Gehirns spielen könnten. Letztes Jahr identifizierte Lahns Gruppe zwei Gehirngene, die unter dem jüngsten evolutionären Druck stehen. nicht wie HAR1F , diese Gene haben eine bekannte Funktion – sie sind beide an der Kontrolle der Gehirngröße beteiligt. Darüber hinaus werden verschiedene Variationen dieser Gene in verschiedenen Regionen der Welt gefunden, während alle bisher getesteten Gene die gleichen 18 Variationen in dem sich schnell entwickelnden Teil von zu tragen scheinen HAR1F .
Hausslers Gruppe konnte das neuartige DNA-Stück aufgrund ihres einzigartigen Ansatzes zur Genomanalyse identifizieren. Frühere Studien konzentrierten sich auf die kodierenden Regionen des Genoms: den Abschnitt der DNA, der die Produktion von Proteinen steuert. Hausslers Gruppe hingegen führte eine genomweite Suche nach sich schnell entwickelnden Sequenzen innerhalb der konservierten DNA-Regionen durch. Ihre Methode scheint ein sehr eleganter Weg zu sein, um potenzielle regulatorische Elemente aufzugreifen, die einzigartige Funktionen in der menschlichen Abstammungslinie erworben haben, sagt Ganeshwaran Mochida , Neurowissenschaftler und Genetiker an der Harvard Medical School in Boston.
Einige Wissenschaftler sind jedoch skeptisch, dass sich das DNA-Stück als Schlüssel zur Evolution des menschlichen Gehirns herausstellen wird. Es ist ein bisschen schwer zu begreifen, wie ein 118 Basenpaar langes RNA-Stück evolutionär so eiskalt gewesen sein konnte, mit zwei Veränderungen in den letzten 318 Millionen Jahren, dann 18 aufeinanderfolgende unabhängige Substitutionen in der menschlichen Abstammungslinie seit der Spaltung mit dem Schimpansen durchlaufen konnte. sagt Andrew Clark , einem Populationsgenetiker an der Cornell University in Ithaca, NY. Er schlägt vor, dass die jüngsten Veränderungen eher das Produkt eines ungewöhnlichen und noch nicht verstandenen Mutationsprozesses als eines evolutionären Drucks sind. Und er fügt hinzu, dass für beide Möglichkeiten noch kein Beweis existiert. Auf jeden Fall sei die Arbeit eine starke Motivation, die biologische Funktion dieses Gens zu verstehen, und das sei schon immer der Reiz dieser Art von Arbeit gewesen, sagt er.
Haussler und Mitarbeiter versuchen nun herauszufinden, welche Rolle HAR1F spielt während der Gehirnentwicklung. Unter anderem wollen sie eine Maus entwickeln, die die menschliche Form des Gens exprimiert. Wir wissen nicht, ob die Maus anfängt, Shakespeare zu schreiben, sagt Haussler. Es ist unwahrscheinlich, dass es wie ein menschliches Gen funktioniert, da es im Mauskortex mit anderen Mausgenen exprimiert wird, aber es ist etwas, das man versuchen sollte.
Haussler sagt voraus, dass die Ergebnisse eine Welle der Forschung über die Rolle der HAR1F . Er hofft beispielsweise, dass Wissenschaftler, die die Genetik von Schizophrenie und anderen Erkrankungen untersuchen, ihre Patientenpopulationen nach Mutationen im Gen durchsuchen, die Aufschluss über seine Rolle bei der Entwicklung des Gehirns und der kognitiven Funktion geben könnten.