Vorfahren oder Brüder? Eine dritte Möglichkeit der Evolution, verborgen in den menschlichen Genen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Jinhong (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Auf dem Stammbaum der Evolution sind einige Arten die „Vorfahren“ des Menschen, wie etwa die Urmenschenaffen oder frühere Archäotherien und sogar primitive eukaryotische Tiere. Ohne sie gäbe es uns nicht. Andere Arten sind unsere „Brüder“, die einen gemeinsamen Vorfahren mit uns haben, sich im Laufe der Evolution jedoch auseinanderentwickelt haben und anders geworden sind.

Gibt es jedoch eine dritte Möglichkeit in der Evolution, so etwas wie einen „Lehrer“ oder „Nachbarn“, der, obwohl nicht direkt mit uns verwandt, ebenfalls Spuren auf unserem Wachstumspfad hinterlässt? Mit anderen Worten: Unsere jüngeren Vorfahren haben im Zuge der Symbiose und Kommunikation mit anderen Organismen bestimmte Gene und Merkmale von ihnen übernommen, die bis heute erhalten geblieben sind und möglicherweise sogar zu den Fähigkeiten geworden sind, die wir zum Überleben brauchen?

Natürlich.

Lucy, der Affe im Museum

(Bildquelle: entnommen aus Wikipedia)

Als das große Humangenomprojekt im Jahr 2001 für abgeschlossen erklärt wurde, gelangten Wissenschaftler bei der Analyse der modernen menschlichen Genomsequenz zu einem Ergebnis, das viele Menschen überraschte: Unter den über 20.000 menschlichen Genen, die anhand des Genoms vorhergesagt wurden, wiesen etwa 200 Gene große Ähnlichkeiten mit den identifizierten Bakteriengenen auf, und diese Gene schienen von Bakterien abzustammen.

Da die Technologie zur Genomsequenzierung damals noch nicht perfekt war, interpretierten einige Wissenschaftler diese Entdeckung so, als seien die Versuchsproben durch Bakterien verunreinigt. Da die Kosten für die Sequenzierung in den folgenden zwanzig Jahren immer geringer wurden, wurde die Sequenzierung des menschlichen Genoms für unterschiedliche Forschungszwecke viele Male wiederholt. Nach einem umfassenden Vergleich blieben noch viele bakterienähnliche Gene übrig, die nicht als Probenverunreinigung erklärt werden konnten.

Genomsequenzierung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Matthew Daugherty, ein Biochemiker an der University of California in San Diego, und seine Kollegen untersuchten diese Frage und nutzten Computersoftware, um die Evolution von Hunderten menschlicher Gene zu verfolgen, indem sie nach ähnlichen Sequenzen in anderen Arten suchten. Im Mittelpunkt der Studie standen Gene, die bei frühen Tieren nicht gefunden wurden, sondern „plötzlich“ im Genom der Wirbeltiere auftauchten (was darauf hindeutet, dass sie sich nicht direkt entwickelt haben) und deren Sequenzen in modernen Mikroorganismen zu finden sind.

Unter den Dutzenden potenzieller „fremder Gene“ von Wirbeltieren, die sie untersuchten, befand sich das Gen IRBP, das für das Inter-Photorezeptor-Retinoid-Bindungsprotein kodiert, ein Protein, das im Raum zwischen der Netzhaut und dem retinalen Pigmentepithel verteilt ist und für die Sehfähigkeit von Wirbeltieren, einschließlich des Menschen, unverzichtbar ist.

Unter den Strukturen des Augapfels hat die Netzhaut die Funktion, Lichtreize wahrzunehmen.

(Bildquelle: Wiki)

Ein solch wichtiges Gen ist bei allen Wirbeltieren vorhanden, fehlt jedoch im Allgemeinen bei ihren nächsten wirbellosen Verwandten und weist stattdessen große Ähnlichkeiten mit den Peptidase-Genen bei Bakterien auf.

Warum passiert das?

Daugherty und seine Kollegen schlugen vor, dass Mikroorganismen vor mehr als 500 Millionen Jahren das Peptidase-Gen auf den gemeinsamen Vorfahren der Wirbeltiere übertrugen. Nach einer Phase der Evolution führten einige Mutationen bei den Wirbeltieren selbst dazu, dass das Peptidase-Gen zu IRBP wurde, das auch an der Bildung des visuellen Systems der Wirbeltiere beteiligt war.

Ein weiterer Beleg für diese Ansicht ist die Tatsache, dass Physiologen schon vor langer Zeit entdeckt haben, dass die Sehorgane der Wirbeltiere „von Grund auf neu entstehen“ und sich anders entwickelt haben als die Sehmechanismen anderer Organismen, was möglicherweise auf bakterielle Peptidasen zurückzuführen ist.

Tatsächlich hatten vor Daugherty viele Wissenschaftler das Phänomen und den Mechanismus des horizontalen genetischen Austauschs zwischen Organismen untersucht.

Die endogenen Retrovirussequenzen im menschlichen Genom sind ein Zeichen des Kampfes der Menschheit gegen uralte Viren. Die CRISPR-Array-Sequenzen in Bakterien und Archaeen, die zu vielen Viren homolog sind, haben zur Entwicklung der CRISPR/Cas9-Gen-Editierungstechnologie geführt, die 2020 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Die Fähigkeit von Agrobacterium, sein Ti-Plasmid in das Pflanzengenom einzufügen, ist heute fast zu einem notwendigen Weg für die genetische Manipulation höherer Pflanzen geworden.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Doch wie Julie Dunning Hotopp, Genombiologin am Institute for Genome Sciences der University of Maryland School of Medicine, kommentierte, zeigen Daughertys Forschungen, dass es nicht nur zu einem horizontalen Gentransfer zwischen Arten kommen kann, sondern dass sich solche horizontal übertragenen Gene auch in neuen Arten festsetzen können, wodurch diese im Laufe der Evolution neue Fähigkeiten erwerben oder ihre vorhandenen Fähigkeiten verbessern können.

Genau wie unsere menschlichen sozialen Beziehungen haben Lebewesen nicht nur „Ältere“ und „Verwandte“, sondern auch „Lehrer“, „Freunde“, „Fremde“ usw. Die biologische Evolution aus genetischer Sicht als „Baum“ zu verstehen, ist bei genauerem Hinsehen möglicherweise nicht korrekt. Auch Zweige, die sich längst getrennt haben, können ein Netzwerk aufbauen und durch horizontalen genetischen Austausch florieren.

Ich glaube, dass in Zukunft mehr Wissenschaftler weitere versteckte „Netzwerke“ auf diesem „Baum“ finden werden und dass diese Netzwerke auch weitere in den menschlichen Genen verborgene Geheimnisse enthüllen werden.

Quellen:

[1]Kalluraya CA, Weitzel AJ, Tsu BV, et al. Bakterielle Herkunft einer Schlüsselinnovation in der Evolution des Wirbeltierauges[J]. Proceedings der National Academy of Sciences, 2023, 120(16): e2214815120.