Die menschliche Evolution war nicht nur das Notenblatt, sondern wie es gespielt wurde

DURHAM, NC – Ein Team von Duke-Forschern hat eine Gruppe menschlicher DNA-Sequenzen identifiziert, die zu Veränderungen in der Gehirnentwicklung, Verdauung und Immunität führen, die sich offenbar schnell entwickelt haben, nachdem sich unsere Familienlinie von der der Schimpansen getrennt hatte, aber bevor sie von den Neandertalern trennbar war.

Unsere Gehirne sind größer und unsere Eingeweide sind kürzer als unsere Affenkollegen.

“Viele der Merkmale, die wir für einzigartig menschlich und menschenspezifisch halten, sind wahrscheinlich während dieser Zeit entstanden”, sagte Dr. Craig Lowe.D., Assistenzprofessor, 7,5 Millionen Jahre nach der Trennung von dem gemeinsamen Vorfahren, den wir mit den Schimpansen teilen Molekulargenetik und Mikrobiologie an der Duke School of Medicine.

Konkret regulieren die betreffenden DNA-Sequenzen, die die Forscher Human Ancestral Rapid Evolved Regions (HAQERS), ausgesprochene Hacker, genannt haben, Gene. Sie sind die Schalter, die Genen in der Nähe mitteilen, wann sie ein- und ausschalten sollen. Die Ergebnisse erscheinen am 23. November in der Zeitschrift CELL.

Die schnelle Entwicklung dieser Regionen des Genoms scheint der Feinabstimmung der regulatorischen Kontrolle gedient zu haben, sagte Lowe. Weitere Schalter wurden dem menschlichen OS hinzugefügt, als sich Sequenzen zu regulatorischen Regionen entwickelten und fein abgestimmt wurden, um sich an Umwelt- oder Entwicklungshinweise anzupassen. Insgesamt waren diese Veränderungen für unsere Spezies von Vorteil.

„Sie scheinen besonders spezifisch dafür zu sein, dass Gene nur in bestimmten Zelltypen zu bestimmten Zeitpunkten der Entwicklung aktiviert werden, oder sogar Gene, die sich aktivieren, wenn sich die Umgebung auf irgendeine Weise verändert“, sagte Lowe.

Ein Großteil dieser genomischen Innovation wurde in der Entwicklung des Gehirns und des Magen-Darm-Trakts gefunden. “Wir sehen viele regulatorische Elemente, die in diesen Geweben ins Spiel kommen”, sagte Lowe. “Dies sind die Gewebe, in denen Menschen herausfinden, welche Gene exprimiert werden und auf welcher Ebene.”

Heute sind unsere Gehirne größer als bei anderen Menschenaffen und unsere Eingeweide kürzer. “Die Leute haben die Hypothese aufgestellt, dass diese beiden sogar verwandt sind, weil es sich um zwei wirklich teure Stoffwechselgewebe handelt”, sagte Lowe. „Ich denke, was wir sehen, ist, dass es nicht wirklich eine Mutation gab, die Ihnen ein großes Gehirn verlieh, und eine Mutation, die den Darm wirklich beeinflusste, es waren wahrscheinlich viele dieser kleinen Veränderungen im Laufe der Zeit.“

Um die neuen Ergebnisse zu erzielen, arbeitete Lowes Labor mit den Kollegen von Duke, Tim Reddy, außerordentlicher Professor für Biostatistik und Bioinformatik, und Debra Silver, außerordentlicher Professor für Molekulargenetik und Mikrobiologie, zusammen, um deren Fachwissen zu nutzen. Reddys Labor ist in der Lage, Millionen von genetischen Schaltern gleichzeitig zu untersuchen, und Silver beobachtet Schalter in Aktion in sich entwickelnden Mausgehirnen.

„Unser Beitrag war, dass wir, wenn wir beide Technologien zusammenbringen könnten, Hunderte von Schaltern in dieser Art von komplexem, sich entwickelndem Gewebe betrachten könnten, das man nicht wirklich aus einer Zelllinie bekommen kann“, sagte Lowe.

„Wir wollten Schalter identifizieren, die für Menschen völlig neu sind“, sagte Lowe. Durch Berechnungen konnten sie ableiten, was die DNA des Mensch-Schimpansen-Vorfahren gewesen wäre, sowie die ausgestorbenen Neandertaler- und Denisovan-Linien. Die Forscher konnten die Genomsequenzen dieser anderen Verwandten nach dem Schimpansen dank der Datenbanken vergleichen, die durch die Pionierarbeit des Nobelpreisträgers von 2022, Svante Pääbo, erstellt wurden.

„Wir kennen also die Neandertaler-Sequenz, aber testen wir diese Neandertaler-Sequenz und sehen, ob sie tatsächlich Gene enthalten kann oder nicht“, was sie dutzende Male taten.

“Und wir haben gezeigt, dass dies tatsächlich ein Schalter ist, der Gene ein- und ausschaltet”, sagte Lowe. “Es hat wirklich Spaß gemacht zu sehen, dass die neue Genregulation von völlig neuen Schaltern kam, nicht nur das Umlegen von Schaltern, die bereits existierten.”

Neben den positiven Eigenschaften, die HAQER den Menschen gegeben haben, können sie auch mit einigen Krankheiten in Verbindung gebracht werden.

Die meisten von uns haben bemerkenswert ähnliche HAQER-Sequenzen, aber es gibt einige Variationen, „und wir konnten zeigen, dass diese Varianten dazu neigen, mit bestimmten Krankheiten zu korrelieren“, sagte Lowe, nämlich Bluthochdruck, Neuroblastom, unipolare Depression, bipolare Depression und Schizophrenie . Die Wirkungsmechanismen sind noch nicht bekannt, und in diesen Bereichen muss mehr Forschung betrieben werden, sagte Lowe.

„Vielleicht werden menschenspezifische Krankheiten oder die menschenspezifische Anfälligkeit für diese Krankheiten vorzugsweise auf diese neuen genetischen Schalter zurückgeführt, die nur beim Menschen existieren“, sagte Lowe.

Unterstützung für die Forschung kam vom National Human Genome Research Institute – NIH (R35-HG011332), dem North Carolina Biotechnology Center (2016-IDG-1013, 2020-IIG-2109), Sigma Xi, dem Triangle Center for Evolutionary Medicine und Duke-Whitehead-Stipendium.

ZITAT: „Adaptive Sequence Divergence Forges New Amplifiers of Human Neurodevelopment“, Riley J. Mangan, Fernando S. Alsina, Federica Mosti, Jesus Emiliano Sotelo-Fonseca, Daniel A. Snellings, Eric H. Au, Juliana Carvalho, Laya Satyan, Graham D. Johnson, Timothy E. Reddy, Debra L. Silver, Craig B. Lowe. CELL, 23. November 2022. DOI: 10.1016/j.cell.2022.10.016

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