8 wissenschaftliche Artikel zum International Primate Genome Project sind jetzt online! Chinesisches Team lüftet Geheimnis der Primatenevolution

Als Angehöriger der Primatenart hat sich der Mensch schon immer Gedanken über die Herkunft und Evolution der Primaten gemacht. Die Forschung auf diesem Gebiet wird nicht nur dazu beitragen, die Frage nach der Herkunft des Menschen zu beantworten, sondern uns auch ermöglichen, mehr über die Entwicklung unserer einzigartigen körperlichen Merkmale zu erfahren. Mit der Entwicklung der Molekularbiologie konnten wir in den letzten Jahren mithilfe der genetischen Forschung entsprechende Fragen beantworten.

Obwohl nichtmenschliche Primaten in der Biologie, Evolution, Pharmakologie und anderen Bereichen eine wichtige Rolle spielen, wurden weniger als 10 % der Referenzgenome nichtmenschlicher Primaten sequenziert und interpretiert. Der langsame Fortschritt der Sequenzierung hat unsere eingehende Forschung zur Genomentwicklung, adaptiven Evolution und Molekularbiologie nichtmenschlicher Primaten stark eingeschränkt.

Um diese Situation zu verbessern, haben im Jahr 2018 mehrere Forschungszentren in China und im Ausland gemeinsam das Primatengenomprojekt ins Leben gerufen. Ziel ist es, mit multidisziplinären, fachübergreifenden Mitteln und in Teamarbeit den Ursprung und Differenzierungsvorgang von Primatenarten, einschließlich des Menschen, sowie die Evolution und genetische Grundlage der sozialen Organisation und verschiedener physiologischer Merkmale von Primaten zu untersuchen. Darüber hinaus wird das Konsortium das genetische Variationsprofil von Primaten und dessen Auswirkungen auf die Variationsmuster menschlicher krankheitsverursachender Gene untersuchen.

Mitglieder des Konsortiums Primate Genome Project:

Das Team von Professor Zhang Guojie vom Center for Life Evolution Research der Zhejiang-Universität

Das Team des Forschers Wu Dongdong vom Kunming Institute of Zoology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Das Team von Professor Qi Xiaoguang von der School of Life Sciences der Northwestern University

Das Team des Forschers Yu Li von der School of Life Sciences der Yunnan University

Das Team von Professor Tomàs Marquès-Bonet vom Gemeinsamen Institut für Evolutionsbiologie der Universität Pompeu Fabra, Spanien

Illumina-Labor für künstliche Intelligenz

Das Team von Professor Jeffrey Rogers vom Human Genome Sequencing Center am Baylor College of Medicine

Mikkel H. Schierup-Team von der Universität Aarhus, Dänemark

Das Team von Professor Christian Roos vom Leibniz-Institut für Primatenforschung in Deutschland

Diese Situation hat sich mit dem schrittweisen Fortschreiten des Primatengenomprojekts geändert. Vor kurzem haben die Mitglieder der Allianz bedeutende Fortschritte in der Erforschung der Primatenevolution erzielt und eine Reihe damit verbundener Fragen beantwortet. Die wichtigsten Ergebnisse wurden am 2. Juni 2023 in der Fachzeitschrift Science in Form einer Forschungssonderausgabe in Form von 8 Artikeln (von denen 4 vom einheimischen Team verfasst wurden) veröffentlicht. Am selben Tag wurden drei weitere Satellitenartikel in bekannten wissenschaftlichen Zeitschriften wie Science Advances und Nature Ecology & Evolution veröffentlicht. (Hinweis: Der in NEE veröffentlichte Artikel wird heute um 23:00 Uhr online sein.)

Unter den acht Artikeln in der Sonderausgabe von Science ist der Forschungsartikel mit dem Titel „Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution“ ein grundlegender und wichtiger Flaggschiffartikel. Es wurde vom Team von Professor Zhang Guojie vom Center for Evolution of Life der Zhejiang-Universität, dem Team von Professor Wu Dongdong vom Kunming Institute of Zoology, dem Team von Professor Qi Xiaoguang von der Northwest University und anderen in- und ausländischen Mitarbeitern durchgeführt. Heute präsentieren wir unseren Lesern eine klare und systematische Interpretation dieses Vorzeigepapiers.

Geschrieben von Zhou Long (Zentrum für Lebensevolutionsforschung, Zhejiang-Universität)

Es gibt mehr als 500 Primatenarten, die 79 Gattungen in 16 Familien angehören. Unter ihnen sind die Halbaffen (Unterordnung Strepsirrhini) eine relativ primitive Primatenart, die in Afrika, Südasien und Ostasien verbreitet ist. Zu dieser Klasse gehören Lemuren, Plumploris und Buschaffen; während die Haplorrhini (Unterordnung Haplorrhini) den Hauptteil der modernen Primaten bilden. Zu dieser Gruppe gehören die in Eurasien und Afrika verbreiteten Schmalnasenarten (Catarrhini, einschließlich Altweltaffen) und die in Amerika verbreiteten Platyrrhini (Neuweltaffen).

**Der Mensch gehört zu den Stenorrhinae in der Unterordnung Simplorrhinidae und ist eng mit Menschenaffen wie Schimpansen, Orang-Utans und Gorillas verwandt. **Wann entstand eine so reiche und vielfältige Gruppe von Primaten? Welche Einflüsse haben ihre Entwicklung beeinflusst? Wie wurden aus Affen Menschenaffen und wie wurden aus Menschenaffen Menschen? …

Was kann uns das Genom, dieses wichtigste „Protokoll der Geschichte“, sagen?

Als wichtiger Teil der Zwischenergebnisse des Primatengenomprojekts untersuchte das chinesische Forschungsteam in der heute veröffentlichten Flaggschiff-Arbeit 50 Primatenarten aus 38 Gattungen und 14 Familien und schloss auch Neuweltaffen und Halbaffen ein, die in früheren Studien weniger stark berücksichtigt wurden. Das Team erhielt auf diese Weise 27 neue Genomdaten hoher Qualität, die immer genauere genetische Informationen liefern. Eine derart breite Abdeckung kann umfassendere Daten liefern und uns so ein tieferes Verständnis der Evolutionsgeschichte der Primaten ermöglichen.

WANN

Die Vorfahren der Primaten erschienen gegen Ende der Kreidezeit

Am Ende der Kreidezeit vor 65,5 Millionen Jahren kam es auf der Erde zu einem Massenaussterben. Dies ist ein Ereignis, das jeder kennt. Bei diesem Ereignis starben die Nicht-Vogel-Dinosaurier, die dominierende Spezies auf der Erde, vollständig aus. Die Ökologie der Erde befindet sich in großer Aufruhr: „Hier geboren, hierher zurückgekehrt, wenn ein Wal stirbt, erwachen alle Dinge zum Leben.“ Hatte dieses Massenaussterben also auch Auswirkungen auf die Evolution der Primaten?

Durch die Analyse genomischer Daten und fossiler Zeitdaten konnten die Forscher auf die Evolutionszeit der großen Primatengruppen schließen und kamen außerdem zu dem Schluss, dass der jüngste gemeinsame Vorfahre aller Primaten vor etwa 68,29 bis 64,95 Millionen Jahren auftrat (Abbildung 1). Dieser Zeitpunkt liegt sehr nahe am Massenaussterben am Ende der Kreidezeit, also etwa an der Grenze zur Kreidezeit. Dies bedeutet, dass die Evolution der Primaten möglicherweise durch Massenaussterben beeinflusst wurde.

Abbildung 1. Evolutionsbaum der Primaten (zum Vergrößern klicken). Primatenbild gezeichnet von Stephen D. Nash (Foto bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Wie

Die Chromosomenevolution von Primaten neu verstehen

Durch die Rekonstruktion der Karyotyp-Evolution (also der Veränderungen der Chromosomen) der Vorfahren der Primaten stellte das Forschungsteam fest, dass das Karyotyp-Evolutionsmuster der Primaten auf Chromosomenebene im Allgemeinen konservativ ist. Dies bedeutet, dass die Chromosomen verschiedener Primatenlinien größtenteils eine ähnliche Struktur und Anzahl aufweisen. Es gibt jedoch Ausnahmen: Chromosom 8 (8p+8q), das beim Menschen in einem verschmolzenen Zustand vorliegt, erscheint bei Neuweltaffen als zwei gebrochene und unabhängige Chromosomen.

Abbildung 2. Schematische Darstellung: Verschiedene Hypothesen zum Ursprung des menschlichen Chromosoms 8 bei Primaten. (Foto bereitgestellt vom Forschungsteam von Zhang Guojie)

Aufgrund unzureichender Daten gingen Forscher in früheren Studien davon aus, dass das Chromosom des Primatenvorfahren, das dem menschlichen Chromosom 8 entspricht, zusammengewachsen sein müsste (8p+8q) und dass bei den Neuweltaffen ein Bruchereignis stattgefunden habe, bei dem es dann zu einer Differenzierung in zwei neue Chromosomen gekommen sei (siehe Abbildung 2, links). Diese Ansicht wird seit langem vertreten, doch neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass sie falsch sein könnte.

Da diese jüngste Studie auf Chromosomenebene mehr Halbaffenarten einschloss, war die Qualität der Gensequenzierung sehr hoch, was die verzerrten Ergebnisse aufgrund unzureichender Daten in der Vergangenheit wettmachte. Die Forscher fanden heraus, dass das menschliche Chromosom 8 zwei Chromosomen des ursprünglichen Affen entspricht. Daher kann spekuliert werden, dass nach dem Auftauchen der Catharinae die beiden Chromosomen bei den Vorfahren der Menschenaffen und aller Primaten zu einem Chromosom verschmolzen, aus dem sich schließlich das menschliche Chromosom 8 entwickelte (siehe Abbildung 2, rechts). Die durch diese Studie gelieferten Beweise korrigieren frühere Schlussfolgerungen über den evolutionären Prozess der Fusion und des Bruchs von Primatenchromosomen.

WARUM

Das Gehirn von Primaten hat eine rasante Evolution durchgemacht

Im Laufe der langen Evolution kommt es bei Primaten zu sehr signifikanten Veränderungen des Gehirnvolumens. In den frühen Stadien der Evolution war die Gehirnkapazität von Halbaffen und Koboldmakis (auch Tarsier genannt) sehr begrenzt; doch mit der Zeit nahm die Gehirnkapazität der Neuweltaffen und der Altweltaffen weiter zu. Als sie sich zu Menschenaffen und Menschen entwickelten, verfügten beide über eine größere Gehirnkapazität (Abbildung 3). Das erhöhte Gehirnvolumen wird mit der Intelligenz dieser Tiere in Verbindung gebracht und spiegelt auch ihre Fähigkeit wider, sich im Laufe der Evolution an ihre Umgebung anzupassen.

Abbildung 3. Die Entwicklung der Gehirnkapazität bei Primatenarten und die Veränderungen im Genom während dieses Prozesses. Die Gehirnbilder stammen aus der Comparative Mammalian Brain Collection der Michigan State University. (Foto bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Das Forschungsteam stellte fest, dass einige Gene, die mit der Gehirnentwicklung in Zusammenhang stehen, während der Evolution der Primaten eine positive Selektion erfahren haben, das heißt, ihre Funktionen wurden gezielt verbessert . Störungen dieser Gene führen häufig zu Erkrankungen des Gehirns. Beispielsweise haben experimentelle Studien ergeben, dass Mutationen in diesen Genen bei Mäusen zu einer Beeinträchtigung der Gehirnfunktion führen können.

Nehmen wir als Beispiel Mikrozephalie. Mikrozephalie ist ein schwerwiegender neurologischer Defekt beim Menschen, bei dem das Gehirnvolumen der Patienten aufgrund einer Störung der Vermehrung von Nervenzellen reduziert ist. Daher kann spekuliert werden, dass mit Mikrozephalie assoziierte Gene eine Rolle bei der Vergrößerung des Gehirnvolumens von Primaten spielen könnten.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass viele Gene in verschiedenen Primatenlinien einer positiven Selektion unterzogen wurden, und spekulierten, dass diese Gene eine wichtige Rolle im Evolutionsprozess der Erweiterung der Gehirnkapazität von Primaten spielten, insbesondere an wichtigen evolutionären Knotenpunkten, die mit einer Faltung der Hirnrinde und einer signifikanten Zunahme der Gehirnkapazität einhergingen.

Gleichzeitig stellten die Forscher auch in den nicht-kodierenden Regionen fest, dass einige DNA-Sequenzen, die bei Säugetieren hoch konserviert und stark selektiert sind, in vier Schlüsselknoten der Primaten-Evolution (den Vorfahren der Menschenaffen, den Vorfahren der Catharinae, den Vorfahren der Menschenaffen und den Vorfahren des Menschen) eine beschleunigte Evolution durchlaufen haben. Diese Sequenzen, die in die regulatorischen Regionen von Genen fallen, die mit der Gehirnentwicklung in Zusammenhang stehen, weisen darauf hin, dass Primaten ihr Gehirn im Laufe der langen Evolution durch die Regulierung der Genexpression kontinuierlich optimiert haben. Und diese beschleunigte Evolution ist möglicherweise untrennbar mit der Entwicklung und Evolution des Gehirns von Primaten verbunden.

Die oben genannten Forschungsergebnisse zeigen, dass viele Gene und regulatorische Regionen an der allmählichen Entwicklung des Gehirns von Primaten zu einer weiterentwickelten Form beteiligt sind. Diese Erkenntnisse vertiefen unser Verständnis der Evolution des Primatengehirns.

WARUM

Wie haben Affen ihre Schwänze verloren?

Wie unterscheidet man Affen von Menschenaffen? Am intuitivsten ist es, zu prüfen, ob ein Schwanz vorhanden ist.

Die meisten Säugetiere haben Schwänze mit einzigartigen Merkmalen und Funktionen. Bei Primaten, die keine Affen sind, kann der Schwanz dabei helfen, den Körper zu stabilisieren, die Lenkung anzupassen, die Geschwindigkeit zu kontrollieren und sogar als soziales Werkzeug dienen. Warum also verloren die Vorfahren der Affen ihren Schwanz? Dies kann mit Mutationen in bestimmten Genregulationssequenzen zusammenhängen.

Beim gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Affe entdeckten Forscher mehrere Gene, die mit nicht-kodierenden spezifischen Beschleunigungsregionen in Zusammenhang stehen, darunter das Gen KIAA1217. Beim Menschen beeinträchtigen Mutationen in KIAA1217 die normale Entwicklung der Wirbelsäule und führen zu Fehlbildungen der Wirbelsäule und des Steißbeins. Bei Mäusen hingegen führen Mutationen in diesem Gen zu einer Verringerung der Anzahl der Steißbeinwirbel. Die spezifische beschleunigte Evolutionsregion von KIAA1217 fällt in die mutmaßliche Gen-Enhancer-Region (unterstützt durch die Encode-Datenbank) und befindet sich in derselben topologisch assoziierten Domäne (TAD) wie das KIAA1217-Gen. Viele Daten belegen, dass diese spezifische Region der beschleunigten Evolution eine starke Wechselwirkung mit KIAA1217 aufweist und die Expression dieses Gens regulieren könnte (Abbildung 4).

Abbildung 4. Die regulatorische Region des KIAA1217-Gens entwickelte sich bei Affen schnell, was zum Verlust des Schwanzes bei Affen geführt haben könnte. Unten im Diagramm können Sie sehen, dass die sich schnell entwickelnden Regionen und Gene in denselben TAD (das Dreieck im Diagramm) fallen und warme Farben stärkere Interaktionen anzeigen. (Foto bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Durch Analyse und Vergleich der entsprechenden genetischen Informationen können wir feststellen, dass sich die DNA-Sequenz in der Genregulationsregion KIAA1217 von Affen stark von der anderer Primaten unterscheidet. Die Forscher spekulieren daher, dass Mutationen in diesen Bereichen der Grund dafür sein könnten, dass Affen ihren Schwanz verloren haben. Obwohl diese Spekulation noch weiterer Forschung und Überprüfung bedarf, liefert die aktuelle Entdeckung neue Hinweise, die uns helfen, die Evolutionsgeschichte der Affen besser zu verstehen.

ANDERE

Zusammenhänge zwischen der Evolution anderer Primatenmerkmale und Genomveränderungen

Im Laufe der Evolution, die sich über mehr als 60 Millionen Jahre erstreckt, haben die Primaten auf dieser sich ständig verändernden Erde ständige Veränderungen ihres Skeletts, ihrer Körperform und ihres Verdauungssystems erfahren, um sich an unterschiedliche Umgebungen und Nahrungsmittel anzupassen. Ja, neben dem Gehirn haben diese Aspekte der Evolution auch einen wichtigen Einfluss auf die Anpassungsfähigkeit und Überlebensfähigkeit von Primatenarten.

Skelettvariationen sind das Erste, was uns auffällt. Die Körpergrößen verschiedener Primaten variieren stark – Mausmakis wiegen nur wenige Dutzend Gramm, während Gorillas über 200 Kilogramm schwer werden können. Forscher haben im Genom der Vorfahren der Menschenaffen mehrere wichtige Gene entdeckt und spekulieren, dass diese möglicherweise die Evolution der Körpergröße der Gorillas beeinflusst haben. Eines davon ist das DUOX2-Gen, das an der Synthese des Schilddrüsenhormons beteiligt ist, einem Hormon, das für die körperliche Entwicklung sehr wichtig ist. Mutationen im DUOX2-Gen können dazu führen, dass Mäuse und Pandas kleiner werden (siehe Abbildung 5-a). Darüber hinaus sind einige Gene an Signalwegen beteiligt, die mit der Knochenentwicklung und der Körpergröße zusammenhängen, wie etwa TGF-beta, der Wnt-Signalweg und der Hippo-Signalweg (siehe Abbildung 5-c).

Auch bei der adaptiven Evolution der Primaten vom Land- zum Baumleben spielen Gene, die mit der Knochenentwicklung in Zusammenhang stehen, eine besonders wichtige Rolle. Die Studie ergab, dass vier mit der Knochenentwicklung in Zusammenhang stehende Gene (PIEZ01, EGFR, BMPER und NOTCH2) bei Primatenvorfahren einer positiven Selektion unterzogen wurden. Die Forscher fanden außerdem vier positiv selektierte Gene bei Gibbons (LONP1, BRCA2, NEK1 und SLC25A24), deren Varianten die Knochenlänge beeinflussen. Beispielsweise können Mutationen im NEK1-Gen die Länge der Unterarmknochen beeinflussen und dadurch die einzigartige Schwingbewegung des Arms des Gibbons beeinträchtigen, mit der er sich an Aktivitäten und die Nahrungssuche in Bäumen anpasst (siehe Abbildung 5-b).

Abbildung 5. Der Zusammenhang zwischen evolutionären Merkmalen und phänotypischen Merkmalen des Primatengenoms. (Foto bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Neben Unterschieden in Körperform und Knochenbau unterscheiden sich die verschiedenen Primaten auch in ihren Essgewohnheiten. Einige sind Allesfresser, während andere sich hauptsächlich von Blättern ernähren. Blattfressende Stummelaffen haben einen einzigartigen Vorderdarm und ein einzigartiges Verdauungssystem entwickelt. Ihr Verdauungssystem ist nicht nur auf die Aufnahme von Nährstoffen, sondern auch auf die Verarbeitung von Giftstoffen ausgelegt. Einige wichtige Verdauungsgene haben sich weiterentwickelt und sind so besser an diese spezielle Ernährung angepasst. Beispielsweise kodiert das ACADM-Gen die Acyl-CoA-Dehydrogenase, die beim Stoffwechsel von Fettsäuren hilft, und Veränderungen in diesem Gen verbessern bei Stummelaffen ihre Fähigkeit, Fettsäuren zu verdauen. Es wurde gezeigt, dass das NOX1-Gen das mikrobielle Gleichgewicht im Dickdarm von Mäusen reguliert, und die angesammelten Mutationen bei Stummelaffen könnten ihnen außerdem dabei helfen, die Mikroben in ihrem Körper zu regulieren und Blätter besser zu verdauen. Ihr Darm kann durch mikrobielle Fermentation außerdem kurzkettige flüchtige Fettsäuren produzieren und so dem Körper mehr Energie zur Verfügung stellen.

Zusammenfassen

Diese Studie füllte die Lücke unzureichender Daten aus früheren Studien, indem sie 27 neue Genomdaten hoher Qualität hinzufügte und den Forschern so ein umfassenderes und tieferes Verständnis des Evolutionsprozesses der Primaten ermöglichte. Durch die Rekonstruktion der Karyotyp-Evolution von Primaten rekonstruierten die Forscher den Ursprung des menschlichen Chromosoms 8. Darüber hinaus enthüllte die Studie auch die Mechanismen der Veränderung in der Evolution des Skeletts, der Körperform, des Verdauungssystems und des Gehirns von Primaten, die einen wichtigen Einfluss auf ihre Anpassungsfähigkeit und Überlebensfähigkeit hatten. Diese Forschungsergebnisse bilden eine solide Grundlage für unser besseres Verständnis der menschlichen Ursprünge und der Evolution der Primaten.

Hinweis: Das Cover dieses Artikels zeigt einen Philippinenlanguren und sein Junges, Foto bereitgestellt von Ouyang Guanlai.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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