Genetik

Die Urzeit steckt tief in uns - und schläft

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Silvia von der Weiden

Foto: pe/hg / Zentralbild

Von modern keine Spur - die meisten unserer Gene sind Jahrmillionen alt und längst ausrangiert. Doch Forscher haben jetzt verblüfft festgestellt: Sie schlummern nur vor sich hin. Welche mysteriösen Botschaften diese Gene bergen, kann man jetzt ansatzweise erklären.

Genetisch betrachtet ist der Mensch nicht mehr als eine Fliege. Sein Erbschatz ist überraschend klein: Nur 21.000 Gene bilden die Baupläne für die Proteine, die biologischen Strukturbildner und Akteure der Lebensprozesse. Das ist kaum mehr als bei der winzigen Taufliege. Selbst ein unscheinbares Kraut wie die Ackerschmalwand bringt es auf fast ebenso viele Gene wie der Mensch.

Das ist aber nur die halbe Wahrheit. Denn der Großteil unseres Erbgutes ist uralt, schlummert seit Jahrmillionen vor sich hin. Auf 19000 dieser stillgelegten Urzeitgene kommen Forscher inzwischen. Diese Abschnitte auf der DNA sind nicht am Aufbau der Proteine beteiligt. Sie finden sich zwischen und sogar innerhalb aktiver Gene, was ihnen die Bezeichnung „DNA-Schrott“ eingebracht hat. Seit Langem rätseln Forschern über den Sinn der nicht aktiven Bereiche, die 98 Prozent der menschlichen DNA ausmachen. Sollte das alles nur nutzloser Ballast sein, der sich im Laufe der Evolution auf dem Erbmolekül angehäuft hat?

Der Bioinformatiker Mark Gerstein von der Yale University in New Haven glaubt das nicht: „Vermutlich waren ein Teil davon früher ordentliche Gene. Diese starben ab, als sie schädliche Mutationen trafen. Bei anderen handelt es sich um funktionsunfähige Dubletten von brauchbaren Genen.“

Was hinter – oder besser: in den dunklen Seiten des menschlichen Genoms steckt, untersucht die Arbeitsgruppe des Forschers gemeinsam mit weiteren Instituten im Projekt „Encode“. Das Kürzel steht für „Enzyklopädie der DNA-Elemente“ und zielt auf die vollständige Aufklärung des menschlichen Erbguts.

Bisherige Wissen über unser Erbgut wird auf den Kopf gestellt

Die ersten Ergebnisse des Projektes liegen jetzt vor. Wissenschaftler aus 80 Laboren auf der ganzen Welt haben sich einen Ausschnitt des menschlichen Erbguts vorgeknöpft und penibel seine Eigenarten studiert. Ihre Ergebnisse stellen sie in der aktuellen Ausgabe von „Nature“ vor. Sie lassen ahnen, dass das bisherige Verständnis über unser Erbgut auf den Kopf gestellt werden muss. Demnach liegen die Gene ganz und gar nicht ordentlich aufgereiht hintereinander – sondern sie überlappen sich oder sind von langen, rätselhaften Sequenzen unterbrochen. Und auch dieses genetische Brachland enthält sehr wohl nützliche Informationen. Offenbar gibt es kaum Bereiche, die nicht codiert sind. Demnach steuern die Gene viel weniger Informationen bei als bisher angenommen. Die wahre Macht, das legen zumindest die neuen Encode-Studien nahe, gehört dem teils uralten, vielfach schlafenden Genom, das Genetiker einfach als „Schrott“ und „Müll“ abgetan haben.

Tatsächlich ist die Verdoppelung von Genen eine uralte Erfindung der Natur. Schon vor 700 Millionen Jahren bildeten sich so die Kontrollgene für den Körperbauplan der Tierstämme heraus. Wo beim menschlichen Embryo Kopf und Füße, vorn und hinten, linke und rechte Körperseite entstehen, entscheidet die gleiche Gruppe von Genen, die auch die Körperachsen bei Medusen, Würmern und Insekten festlegt. Gendubletten entstehen, wenn bei der Zellteilung versehentlich ein DNA-Abschnitt mehrmals kopiert wird und die Kopien weitervererbt werden. Diese Pseudogene sind zunächst noch ohne Funktion. Deshalb können sich Mutationen auf ihnen in einer Vielzahl anhäufen, die ein aktives Gen zum Ausschuss befördern würden. Im Laufe vieler Generationen bilden sich so Gene mit neuartiger Funktion heraus, denen die Abstammung von der ursprünglichen Sequenz noch anzusehen ist. Die Abänderungen in den Bausteinen der DNA stellen die Taktfolge einer molekularen Uhr dar, mit deren Hilfe die Forscher Geburt und Tod von Genen rückrechnen können.

Ereignisse der Evolution an ausrangierten Genen abgelesen

Die ausrangierten Gene dienen als molekulare Fossilien, an denen sich wichtige Ereignisse in der Evolution ablesen lassen. Die Forscher haben daran rekonstruiert, wie bei unseren affenartigen Vorfahren die Entwicklung eines hoch stehenden Farbsinns mit der Rückbildung des Geruchssinns einherging. Viele Säugetierarten verlassen sich bei der Suche nach Nahrung und einem Paarungspartner vor allem auf ihre feine Nase. Die Spur führt bis ins Genom: Für die Ausprägung der Rezeptoren in der Riechschleimhaut sind bei ihnen über 1000 Gene zuständig, die wahrscheinlich alle voneinander abstammen. Davon sind beim Menschen nur noch knapp 500 aktiv, fanden israelische Forscher am Weizmann-Institut in Rehovot heraus. Bei weiteren 300 DNA-Sequenzen des Menschen ließ sich erkennen, dass es sich um Pseudogene handelt. Sie sind bei ursprünglichen Säugern noch aktiv.

Eine Überraschung lieferte der Vergleich mit dem nächsten Verwandten des Menschen. Das menschliche Genom verfügt über deutlich mehr dieser Pseudogene als das von Schimpansen. Daraus ziehen die Forscher den Schluss, dass ein Teil der Erbsequenzen ihre Funktion erst verloren, nachdem sich die beiden Linien aufspalteten. Der Sprung ist umso erstaunlicher, als auch bei Menschenaffen ein Anteil von 30 bis 40 Prozent der Erbanlagen für die Geruchsrezeptoren stumm geschaltet ist. Den Forschern fiel dabei eine Abhängigkeit auf: Den größten Verlust aktiver Gene für Riechmoleküle verzeichnen jene Affenlinien, die ein gut entwickeltes Farbunterscheidungsvermögen ausgebildet haben. Sie verfügen, wie auch der Mensch, über drei unterschiedliche Typen von farbempfindlichen Rezeptoren in der Netzhaut. Ursprüngliche Vertreter besitzen nur zwei Farbrezeptortypen, die keine Rot-Grün-Unterscheidung ermöglichen. Die differenzierte Farbwahrnehmung geht bei Affen mit einem gut entwickelten räumlichen Vorstellungsvermögen einher. Die Wechselbeziehungen liefern somit Hinweise, wie sich geistige Fähigkeiten bei der Evolution zum Menschen zulasten des Geruchssinnes entwickelt haben.

Auch der umgekehrte Fall ist möglich, zumindest bei der Hefe. Werden die Zellen einer plötzlich veränderten Umwelt ausgesetzt, reaktivieren sie scheintote Gene. Die Pseudogene sind veränderte Kopien von Erbfaktoren, die bestimmte Erkennungsmoleküle auf der Zelloberfläche ausprägen. Die Hefezellen verbessern so ihre Überlebenschancen, vermuten die Forscher.

Erbgutschrott in unserem Körper hat eine Funktion

Knapp die Hälfte der menschlichen DNA besteht aus Abschnitten, die zwar wie ein Gen aufgebaut sind, sich aber weder auf eine konkrete Funktion noch auf einen bestimmten Platz festlegen lassen. Wird bei der Zellteilung DNA kopiert, können sich die mobilen Elemente aus dem Molekül herausschneiden und an anderer Stelle wieder einfügen. Diese im Genom vagabundierenden, Viren nicht unähnlichen, springenden Sequenzen wirken als Regulatoren für andere Gene. Sie sorgen beim Mais für unterschiedlich gefärbte Körner in einem Kolben. Einen ähnlichen Effekt gibt es auch beim Menschen. Versprengte Stücke der „Schrott“-DNA können die uneinheitliche Ausprägung der Augenfarbe bei einer Person verursachen. Ihre Aktivität verrät sich durch kleine dunkelbraune Flecken auf der Iris.

Dass der gesamte, vermeintliche Erbgutschrott in unserem Körper eine Funktion hat, zeigt auch die sogenannte Pseudo-RNA. Die kommt als defekte Kopie von Genen tausendfach vor und kann durchaus eine wichtige Funktion haben, wie ein Forscherteam 2003 in „Nature“ berichtete. Versehentlich zerstörten sie ein Pseudogen, als sie fremde DNA in Mäuseerbgut einschleusten. Die Tiere erkrankten sofort schwer, denn auf einmal funktionierte das intakte Gen nicht mehr, von dem das Pseudogen einst kopiert wurde. Ohne die scheinbar wertlose Pseudo-RNA war die Boten-RNA des intakten Gens instabil geworden und konnte nicht mehr übersetzt werden.

Die Forscher haben zudem Hinweise, dass springende DNA-Sequenzen während der Embryonalentwicklung mitentscheiden, ob Erbsequenzen von der Mutter oder vom Vater aktiv sind. Bei erwachsenen Mäusen können sie Einfluss auf die Art der Neuronenverschaltungen im Gehirn nehmen. Sollte sich das auch beim Menschen nachweisen lassen, hätte der vermeintlich genetische Müll sogar Auswirkungen auf die individuelle Intelligenz.