Über 98 % genetische Übereinstimmung, aber ein dreifacher Unterschied im Gehirnvolumen
Ein Zoobesuch oder das Ansehen von Kurzvideos auf dem Smartphone – die meisten Menschen haben schon Schimpansen gesehen. Sie können geschickt Bananen schälen und sogar mit zwei Fingern Flaschenöffner bedienen. Ihre Bewegungen und ihr Ausdruck sind denen des Menschen erstaunlich ähnlich.
Blickt man jedoch in den Schädel, wird der Unterschied offensichtlich. Das Gehirn eines erwachsenen Schimpans wiegt etwa 400 Gramm, etwa so groß wie eine Grapefruit. Das menschliche Gehirn wiegt durchschnittlich 1400 Gramm, was etwa 2,5 Liter Wasser entspricht. Das Volumen der Gehirne unterscheid sich also um das Dreifache, und die Komplexität der neuronalen Verbindungen ist bei Weitem größer.
Die Grundlagen der Lebenswissenschaften stellen dabei ein großes Rätsel dar. Die protein-codierenden Gene (die Baupläne für die grundlegenden Materialien des Körpers) von Menschen und Schimpansen stimmen zu über 98 % überein. Zwei Menschen auf der Straße unterscheiden sich genetisch meist nur um ein Tausendstel; Schimpanse und Mensch sitzen nebeneinander, die Baupläne für die grundlegenden Körperelemente sind fast identisch.
Die Baumaterialien des Körpers sind also gleich. Wenn die Ziegel und Steine identisch sind, hängt die unterschiedliche Höhe des Gebäudes davon ab, wann mit dem Bau begonnen wird. Die entscheidende Wende verbirgt sich in den regulatorischen Schaltern der Gene.
Abb.: Ein Schimpanse mit hochgradig ähnlichen Genen zum Menschen. Quelle: Lund University / iStock
Mini-Gehirne im Reagenzglas: Die identifizierten stummen Gene der Schimpansen
Um zu verstehen, wie sich die Gehirne von Menschen und Schimpansen entwickelt haben, müssen wir zum Ursprung des Lebens zurückkehren. Die direkte Beobachtung der embryonalen Entwicklung von Primaten stößt sowohl an ethische Grenzen als auch an technische Hürden. Das Forschungsteam musste daher einen alternativen Weg finden.
Das Team von Johan Jakobsson an der Universität Lund (Lund University) fand den Durchbruch. Postdoktorandin Patricia Gerdes verbrachte zwei Jahre damit, eine stabile Zellkultur für Schimpansen zu entwickeln. Die Forscher extrahierten induzierte pluripotente Stammzellen (Induced pluripotent stem cells, nach der Reprogrammierung im Labor in jedes Gewebe differenzierbare Samenzellen). Sie ließen die Zellen in Reagenzgläsern wachsen.
Die Zellen entwickelten sich allmählich zu Gehirnorganoiden (Brain organoid, im Reagenzglas gezüchtete Gehirngewebe, die die frühe Gehirnentwicklung modellieren). Diese Mini-Gehirne sind nur wenige Millimeter groß. Sie reproduzieren präzise das Wachstumstempo der ersten drei Fetalmonate. Das Forschungsteam verglich die Genaktivität in beiden Gewebeproben und identifizierte schnell ein Kernziel.
Sie konzentrierten sich auf das LINC00662-Gen. Dies ist ein lang nicht codierendes RNA-Gen (Long non-coding RNA 00662, das keine Proteine synthetisiert, sondern als regulatorischer Schalter andere Nervengene steuert). Im menschlichen Mini-Gehirn arbeitet dieser Schalter mit voller Leistung. Im Gehirngewebe der Schimpansen bleibt er von Anfang an stumm und erzeugt keinerlei Signale.
Abb.: Schimpansen-induzierte pluripotente Stammzellen im Experiment. Quelle: The Transmitter
Molekulares Skalpell entfernt das Virus, das schlafende Gene reaktiviert
Warum wurde der entscheidende Schalter bei Schimpansen blockiert? Das Forschungsteam nutzte hochpräzise Long-Read-Sequenzierung, um die Ursache zu finden. Das Fremdmaterial im Schloss des Gen-Schalters wurde sichtbar. Neben dem LINC00662-Gen der Schimpansen befand sich ein Reste des alten Virus-DNA, bezeichnet als PTERV1. Dieses fremde Fragment wirkte wie ein rostiger Keil, der den Schalter blockierte und nachfolgende neuronale Signale unterband. In der entsprechenden Genumgebung des Menschen war sauber, ohne jegliche virale Spuren.
Um den kausalen Zusammenhang zu überprüfen, setzte das Team ein molekulares Skalpell ein. Sie nutzten CRISPR-Geneditierung (CRISPR gene editing, ein molekulares Werkzeug, das präzise spezifische DNA-Abschnitte identifizieren und schneiden kann), um das Virusfragment vollständig aus den Schimpansen-Stammzellen zu entfernen. Anschließend kultivierten das Team die Mini-Gehirne neu.
Nach der Entfernung des Virusfragments erwachte das Millionen Jahre lang schlafende LINC00662-Gen in den Schimpansen-Geweben und begann wieder normal zu exprimieren. Die umgekehrte Bestätigung war ebenso eindeutig. Als die Forscher das LINC00662 in den menschlichen Organoiden unterbrachen, wuchs die Axonen (Axon, die langen, dünnen Fortsätze von Nervenzellen, die Signale weiterleiten) behindert, und die Netzwerkverbindungen schrumpften erheblich.
Abb.: Mikroskopische Aufnahme von Schimpansen-Neuralorganoiden. Quelle: The Transmitter / Patricia Gerdes
Vor fünf Millionen Jahren: Virale Invasion, 158 Kopien bei Schimpansen
Woher stammte dieses Virusfragment, das die evolutionäre Richtung des Gehirns veränderte? Geologische und molekulare evolutionäre Beweise zeigen, dass PTERV1 zu einer alten Retrovirus gehört. Vor 5 bis 7 Millionen Jahren breitete sich dieses Virus in den afrikanischen Wäldern aus. Dies fiel genau in die kritische Phase, in der die Vorfahren des Menschen und der Schimpansen sich evolutionär trennten.
Die Vorfahren der Schimpansen wurden von diesem Erreger infiziert. Das Virus drang in die Abwehr ein, drang in die Keimzellen ein und vermehrte sich im Genom des Wirts. Es hinterließ etwa 158 genetische Kopien im Genom der Schimpansen. Diese fremden Insertionen wurden von Generation zu Generation weitergegeben und sind bis heute erhalten.
Die frühen menschlichen Vorfahren lebten vielleicht in offenen Gebieten und vermieden das Virus. Oder sie hatten stärkere Abwehrmechanismen, die den Erreger abwehrten. Die menschliche Linie entging dieser alten Infektion, und der Gen-Schalter blieb sauber.
Der Entwicklungszeitplan verstärkte das Schicksal beider Arten. Daten zur menschlichen embryonalen Entwicklung zeigen, dass die Aktivität von LINC00662 zwischen der 10. und 12. Schwangerschaftswoche ihren Höhepunkt erreicht. Der Fötus ist genau drei Monate alt, und das Gehirn legt die neuronalen Verbindungen intensiv an. Der Entwicklungsschalter der Schimpansen wird zu diesem Zeitpunkt durch das Virus blockiert und verlangsamt sich frühzeitig.
8 % des Genoms sind Virusreste, die die Gehirnentwicklung der Schimpansen hemmen
Die meisten Menschen denken, dass Viren nur Husten, Schnupfen und Fieber verursachen. In der langen Geschichte der Lebensentwicklung sind die Spuren alter Infektionen weitaus tiefgreifender als vorübergehende Krankheitssymptome. Diese im Genom des Wirts schlafenden Virusfragmente werden als endogene Retroviren (Endogenous Retrovirus, genetische Fossilien, die nach einer alten Viruserkrankung in das Wirt-DNA geschrieben werden) bezeichnet. Sie machen über 8 % des menschlichen und schimpansen Genoms aus.
Dieser Anteil von 8 % ist beeindruckend. Alle Gene, die für die Herstellung von Knochen und Muskeln verantwortlich sind, machen nur etwa 1,5 % des gesamten Genoms aus. Wenn das genetische Passwort ein großes Buch ist, machen die verbleibenden Kapitel zwölf Prozent des Buches aus die Überreste alter Viren.
Im Genom gibt es keinen absoluten Müll. Alte Virusfragmente spielen oft eine seltsame Rolle in der Evolution. Die Plazenta, die für die Fortpflanzung der Säugetiere unerlässlich ist, nutzte Elemente alter Viren. Ravinder Kanda, Evolutionsgenetiker an der Oxford Brookes University, ist der Ansicht, dass diese Studie die Wirkung von Virusresten auf die neuronale Differenzierung bestätigt. Er warnt jedoch gleichzeitig, dass wir bisher nur die Spitze des Eisbergs gesehen haben.
Die Menschen neigen dazu, ihre Intelligenz als eine Art Einzigartigkeit zu betrachten. Die Studie der Universität Lund enthüllt den Zufall der Evolution: Menschen und Schimpansen folgten völlig unterschiedlichen Entwicklungspfaden für ihre Gehirne, weil eine virale Infektion vor Millionen von Jahren die Genregulation der Schimpansen veränderte und die Gehirnentwicklung der nächsten Verwandten für Millionen von Jahren blockierte.
Referenzlinks:
- Science Advances-Paper
- Science News-Bericht
- Pressemeldung der Universität Lund
