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Genetik : Evolution jenseits der Gene

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Genmutationen haben die ausgeprägten Unterschiede zwischen Mensch und Affe bewirkt Bild: dpa

Die Proteine von Mensch und Schimpanse unterscheiden sich kaum. Biologen vermuten daher schon lange, dass nicht so sehr Mutationen in den Genen selbst neue Arten entstehen ließen, sondern Veränderungen in den Steuerungszentralen der Gene. Diese Hypothese zu beweisen fiel den Wissenschaftlern indessen schwer.

          Schon vor mehr als dreißig Jahren hatten amerikanische Evolutionsbiologen wegen der geringen Unterschiede zwischen den Proteinen von Mensch und Schimpanse vermutet, dass nicht so sehr Mutationen in den Genen selbst neue Arten entstehen ließen, sondern Veränderungen in den Steuerungszentralen der Gene. Diese Hypothese zu beweisen fiel den Wissenschaftlern indessen schwer.

          Mit Computeranalysen von Genomsequenzen allein kam man bei der Suche nach den die Evolution vorantreibenden Mutationen nicht weiter. Forscher um Anthony Borneman von der Yale University in New Haven (Connecticut) haben nun die Variationen in genetischen Regulationsbereichen ermittelt. Dabei stießen sie auf große Veränderungen.

          Mechanismen der Evolution

          Die als Promotoren bezeichneten Steuerungszentralen liegen in aller Regel unmittelbar vor den Genen. Sie enthalten in diesem Bereich verstreut zahlreiche, nur wenige Genbausteine lange Kontaktstellen für unterschiedliche Regulationsproteine, die sogenannten Transkriptionsfaktoren. Diese kooperieren miteinander und signalisieren gemeinsam dem nachgeschalteten Gen, wann und wie stark es aktiv werden soll und dann in eine entsprechende Botennukleinsäure zu übersetzen ist.

          Die Forscher isolierten die unter gebundenen Regulatorproteinen gelegenen Kontaktstellen und ermittelten deren Bausteinreihenfolge mit Hilfe von Chips, die mit komplementären DNS-Stücken beladen waren. Um Mechanismen der Evolution auf die Spur zu kommen, analysierten sie die Bausteinreihenfolge von derartigen Regulationssequenzen für jeweils zwei verschiedene Transkriptionsfaktoren bei drei nahe verwandten Arten der Hefe Saccharomyces.

          6.000 Genen von Mensch, Schimpanse und Makaken

          Dabei entdeckten sie eine weit größere Variation in den regulatorischen Bereichen als in den Genen selbst („Science“, Bd. 317, S. 815). Offensichtlich haben sich die Kontrollelemente der Gene in der Evolution viel schneller verändert als die Gene selbst. Regulatorische Sequenzen haben somit vermutlich viel stärker als veränderte Proteinstrukturen zu markanten Entwicklungen in der Evolution beigetragen.

          Zu einem ähnlichen Ergebnis sind Forscher um Ralph Haygood von der Duke University in Durham (North Carolina) in einem groß angelegten Vergleich der Mutationen in Promoter-Bereichen von mehr als 6.000 Genen von Mensch, Schimpanse und Makaken gekommen. Sie fanden 250 Promotoren beim Menschen, die sich besonders schnell verändert haben. Betroffen waren vor allem solche Steuerungselemente, die die Entwicklung und Funktion des Nervensystems regulieren („Nature Genetics“, doi: 10.1038/ng2104).

          Diese Mutationen haben vermutlich Entwicklungen bewirkt, die zu besonders ausgeprägten Unterschieden zwischen Mensch und Affe führten. Auch bei den Promotoren für Gene des Zuckerstoffwechsels waren auffallende Veränderungen zu beobachten. Dies könnte die großen Unterschiede im Speiseplan von Mensch und Affen spiegeln.

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