Von unseren Affenvettern lernen Schimpansengenetik könnte Aufschluss über Krankheiten des Menschen geben

Photo credit: Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology Full size image available through contact

Ein internationales Forschungsteam berichtet, dass sich das menschliche Gehirn in seinen Genexpressionsmustern auffallend vom Gehirn des Schimpansen unterscheidet. Derartige Unterschiede sind in anderen Bereichen des Körpers, wie in der Leber und den Leukozyten, nicht erkennbar.

Die von der American Association for the Advancement of Science in der am 11. April erscheinenden Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlichte Studie des Forschungsteams könnte Aufschluss darüber geben, warum sich Schimpansen und Menschen genetisch derart ähneln - Menschen und Schimpansen haben zu 98,7 Prozent die gleichen DNS-Sequenzen- und sind trotzdem geistig und körperlich so verschieden.

„Eine genauere Kenntnis dieser Unterschiede könnte Wissenschaftler außerdem dabei helfen, die genetischen Grundlagen für medizinische Merkmale, wie die Anfälligkeit für AIDS, Malaria und die Alzheimersche Krankheit, besser zu verstehen", meint das Science-Forscherteam, das von Svante Pääbo vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, Deutschland, geleitet wurde.

Nach diesem Bericht sind die Unterschiede zwischen dem Menschen und seinem engsten Artverwandten eher quantitativ als qualitativ. Statt Unterschiede im Aufbau der Gene oder Proteine selbst, sind es Differenzen in der Quantität der Gen- und Proteinexpression, die diese zwei Spezies unterscheiden. Das Gesamtmuster deutet darauf hin, dass das menschliche Gehirn beschleunigten evolutionsbedingten Veränderungen ausgesetzt war.

Pääbo und seine Mitarbeiter untersuchten diese Unterschiede mit Hilfe von Gen-Chips, die winzige Tupfer menschlicher DNS trugen und dabei etwa 18.000 Gene repräsentierten. Die Chip-DNS interagierte mit gereinigtem Gen-Material, das dem Gehirn und der Leber von Menschen, Schimpansen und Makaken entnommen worden war, und ermöglichte es den Forschern, den Grad der Genexpression in den einzelnen Spezies zu messen.

Die Genexpression erwies sich als sehr individuell, wobei manche Menschen bezüglich ihres Gesamtexpressionsmusters enger mit Schimpansen als mit anderen Menschen verwandt zu sein schienen. Als die Forscher jedoch die Daten artspezifisch zusammenfassten, entdeckten sie ein verblüffendes Schema. Bei Blut und Lebergewebe ähnelte der Grad der Genexpression beim Menschen eher dem des Schimpansen als des Makaken. Die Unterschiede in der Genexpression gegenüber dem Muster des Makaken scheinen sich beim Menschen und Schimpansen ungefähr mit derselben Geschwindigkeit vollzogen zu haben, was auf Grund ihrer engen evolutionären Verwandtschaft auch zu erwarten war.

Das Science-Forschungsteam stellte fest, dass sich dies beim Gehirngewebe jedoch anders verhielt: In diesem Fall glichen die Genexpressionsmuster der Schimpansen mehr denen der Makaken und weniger dem Muster des Menschen. Die Daten deuten darauf hin, dass beim Menschen die Veränderung der Genexpression in seinem Gehirn viel schneller stattfand , und er mindestens fünfmal mehr Expressionsunterschiede als der Schimpanse angesammelt und sich so von seinem engsten Artverwandten distanziert hat.

Eine ähnliche Tendenz zeichnete sich ab, als die Forscher nicht nur die Gene, sondern auch die Unterschiede im Proteinspiegel des Gehirns untersuchten. Pääbo und seine Mitarbeiter entdeckten wiederum einen bedeutenden quantitativen Unterschied zwischen der Proteinexpression des Menschen und des Schimpansen, was die These einer beschleunigten evolutionären Veränderung des menschlichen Gehirns erhärtet.

Um festzustellen, ob derartige Unterschiede wie zwischen Menschen und Schimpansen häufig unter Lebewesen mit enger Artverwandtschaft auftreten, analysierten die Forscher auch die Gen- und Proteinexpression in zwei Mausarten, die sich genetisch so ähneln wie Mensch und Schimpanse. Sie fanden bei den Mäusen geringere Unterschiede im Expressionsgrad, was darauf hindeutet, dass die Diskrepanz zwischen Menschen und Schimpansen eine Besonderheit in der Evolution darstellt.

Doch wenn diese Veränderungen in der Evolution bedeutend waren, welche spezifischen Gene oder Proteine waren daran beteiligt? Pääbo erklärt, dass die Forscher noch nicht wissen, ob die verstärkte Expression im menschlichen Gehirn generell bei einer Vielzahl von Genen erfolgt oder ob der große Unterschied zwischen Menschen und Schimpansen auf Veränderungen bei einigen wenigen Genen oder Genfamilien zurückzuführen ist. Das Forscherteam sammelt deshalb weitere Daten, um festzustellen, ob sich bestimmte Gene „im Verlauf der jüngsten Evolution des Menschen in einer besonders übereinstimmenden und tiefgreifenden Weise verändert haben", sagt Pääbo.

Die Autoren der Science-Studie sind außerdem dabei, die Ursachen für die unterschiedliche Gen- und Proteinexpression im menschlichen Gehirn zu erkunden. Laut Pääbo, sind Gen-Duplikationen, Gen-Deletionen, Veränderungen in den die Genexpression hervorrufenden Proteinen sowie Unterschiede in der Zellstruktur des Gehirngewebes allesamt mögliche Ansatzpunkte. „Ich bin der Meinung, dass Gen-Duplikationen und -deletionen wahrscheinlich viel zu dem beigetragen haben, was wir jetzt gemessen haben", erklärt Pääbo und fügt hinzu, dass Vergleiche zwischen dem menschlichen Genom und einem vollständigen Schimpansengenom helfen könnten, diese Frage zu beantworten.

Zu dem Forschungsteam gehören außerdem Wolfgang Enard, Sebastian Zöllner, Florian Heissig und Philipp Khaitovich vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, Joachim Klose vom Institut für Humangenetik der Charité in Berlin, Patrick Giavalisco vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin, Kay Nieselt-Struwe vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen, Elaine Muchmore und Ajit Varki von der University of California, San Diego in La Jolla, Rivka Ravid von The Netherlands Brain Bank in Amsterdam, sowie Gaby M. Doxiadis und Ronald E. Bontrop vom Biomedizinischen Primatenforschungszentrum in Rijswijkm, Niederlande.

Dieses Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie von der Max-Planck-Gesellschaft unterstützt.