Das HAR1F-Gen stellt Evo­lu­ti­on in Frage

Un­er­war­te­te Be­fun­de bie­ten ei­ne gu­te Mög­lich­keit, eta­blier­te Hy­po­the­sen zu tes­ten und ggf. nach al­ter­na­ti­ven Er­klä­run­gen zu su­chen. Ein Bei­spiel aus der ver­glei­chen­den Ge­ne­tik sind so­ge­nann­te HAR-Ge­ne („Hu­man Ac­ce­le­ra­ted Re­gi­ons“). 2700 sol­che Ge­ne sind beim Men­schen be­kannt. Ei­nes von ih­nen, das HAR1F-Gen, un­ter­schei­det sich in 18 Nu­kleo­ti­den vom Gen der Schim­pan­sen und der an­de­ren Men­schen­af­fen. Ei­ne Un­ter­su­chung an­hand be­kann­ter Mu­ta­ti­ons­ra­ten und der Po­pu­la­ti­ons­ge­ne­tik macht es un­plau­si­bel, dass das Gen ein Pro­dukt un­ge­rich­te­ter Evo­lu­ti­on ist.

HAR steht für „Hu­man Ac­ce­le­ra­ted Re­gi­on“. Im mensch­li­chen Ge­nom sind 2700 sol­cher HAR-Ge­ne be­kannt. Die Be­zeich­nung spie­gelt wi­der, dass sich die­se Ge­ne beim Men­schen stark von den­je­ni­gen an­de­rer Pri­ma­ten un­ter­schei­den. Da­her soll­ten sie nach der Evo­lu­ti­ons­theo­rie sehr schnell mu­tiert und se­lek­tiert wor­den, al­so durch sehr schnel­le Evo­lu­ti­on ent­stan­den sein (da­her „ac­ce­le­ra­ted“). HARs un­ter­schei­den sich in der Tat deut­lich von den ho­mo­lo­gen Ge­nen bei Primaten.

Das HAR1F-Gen co­diert nicht für ein Pro­te­in, son­dern für ein sog. long-non-co­ding RNA-Mo­le­kül mit ei­ner Re­gu­la­ti­ons­funk­ti­on. Die ent­spre­chen­de RNA re­gu­liert ein ge­ne­ti­sches Pro­gramm wäh­rend der em­bryo­na­len Ent­wick­lung des Ge­hirns. Es wird in so­ge­nann­ten Ca­jan-Ret­zi­us-Zel­len, die für die Pro­duk­ti­on der di­cken Groß­hirn­rin­de ver­ant­wort­lich sind, produziert.

Wie die an­de­ren HAR-Ge­ne ist auch das HAR1F-Gen durch ei­nen so­ge­nann­ten ge­ne­ti­schen Fin­ger­ab­druck ge­kenn­zeich­net, der nur beim Men­schen vor­kommt. Das HAR1F-Gen be­steht aus 118 Nu­kleo­ti­den (DNA­Bau­stei­nen), von de­nen 18 für den Men­schen ein­zig­ar­tig sind. Die Se­quenz des HAR1FGens ist bei Schim­pan­se, Go­ril­la und Orang-Utan iden­tisch. Nur beim Men­schen wer­den die 18 ein­zig­ar­ti­gen Nu­kleo­ti­de ge­fun­den. Die­se 18 Un­ter­schie­de sind über das ge­sam­te Gen ver­teilt und kön­nen nicht auf ein ein­zi­ges Mu­ta­ti­ons­er­eig­nis zu­rück­ge­führt wer­den. Ba­sie­rend auf der Se­quenz des HAR1F-Gens kön­nen wir auf­grund der gro­ßen Un­ter­schie­de mit Si­cher­heit Men­schen von Schim­pan­sen, Go­ril­las und an­de­ren Af­fen un­ter­schei­den. Wenn wir ein sol­ches Gen in ei­nem fos­si­len Kno­chen (z.B. ei­nes Ne­an­der­ta­lers) fin­den, dann kön­nen wir si­cher sein, dass wir es mit ei­nem Men­schen zu tun ha­ben. Das HAR1F-Gen ist al­so ein In­di­ka­t­or­gen, d.h. ein Gen, das an­zeigt, dass wir es mit ei­nem Men­schen zu tun ha­ben. Die ein­zig­ar­ti­ge DNA-Se­quenz des mensch­li­chen HAR1F-Gens führt zur Fal­tung des ent­spre­chen­den RNA-Mo­le­küls, so dass ei­ne neue, win­zig klei­ne Schlei­fe ent­steht, die die Funk­ti­on des HAR1F-Mo­le­küls be­stimmt. Die­se Schlei­fe ist ei­ne Art Schal­ter für das Ent­wick­lungs­pro­gramm der Groß­hirn­rin­de beim Fötus.

Nach dem Neo­dar­wi­nis­mus ist das HAR1F-Gen Schritt für Schritt, d.h. Buch­sta­be um Buch­sta­be, durch zu­fäl­li­ge, se­lek­tier­ba­re Mu­ta­tio­nen ent­stan­den. Du­rett et al. (2008) ha­ben be­rech­net, dass für das Auf­tre­ten ei­ner ein­zi­gen Mu­ta­ti­on an ei­ner be­stimm­ten Po­si­ti­on in ei­nem Gen zur Bil­dung ei­ner neu­en funk­tio­nel­len Stel­le Mil­lio­nen von Jah­ren er­for­der­lich wä­ren. Trifft das auch für das HAR1F-Gen zu? Wir brau­chen al­so 18 Mu­ta­tio­nen, um ei­ne af­fen­ähn­li­che HAR1F-Se­quenz in ein mensch­li­ches HAR1F-Gen zu verändern.

Da­zu be­darf es ei­ner An­häu­fung von Mu­ta­tio­nen an ganz be­stimm­ten Stel­len im Ge­nom des hy­po­the­ti­schen Vor­fah­ren. Da der mut­maß­li­che Vor­fahr des Men­schen und der Schim­pan­sen vor 6–7 Mil­lio­nen Jah­ren ge­lebt ha­ben soll, ha­ben wir ma­xi­mal 7 Mil­lio­nen Jah­re Zeit, um das mensch­li­che HAR1F-Gen zu er­hal­ten. Neo­dar­wi­nis­ten ge­hen da­von aus, dass die ef­fek­ti­ve Po­pu­la­ti­on von Ho­mi­ni­nen (Men­schen und sei­ne un­mit­tel­ba­ren mut­maß­li­chen Af­fen-Vor­fah­ren) wäh­rend die­ser 7 Mil­lio­nen Jah­re et­wa 10.000 be­trug (Wall 2003). Und die Mu­ta­ti­ons­ra­te ist ex­pe­ri­men­tell er­mit­telt wor­den. Sie be­trägt 100 Punkt-Mu­ta­tio­nen pro Ge­nera­ti­on pro Ge­nom (das sind beim Men­schen et­wa 3 Mil­li­ar­den DNA-Buch­sta­ben). Mit an­de­ren Wor­ten: Je­der Nach­kom­me er­hält 100 Mu­ta­tio­nen von sei­nen El­tern. Auch Af­fen­jun­ge und ih­re Vorfahren.

Mit die­sen Da­ten kön­nen wir auf ziem­lich ein­fa­che Wei­se be­rech­nen, ob das mensch­li­che HAR1F-Gen auf dar­wi­nis­ti­sche Wei­se – durch Mu­ta­ti­on, Se­lek­ti­on und Gen­drift – ent­ste­hen konn­te oder nicht. Wie groß ist die Chan­ce, dass wir ei­ne Mu­ta­ti­on an der rich­ti­gen Stel­le im HAR1F-Gen bekommen?

Pro In­di­vi­du­um be­steht die Chan­ce von 1 zu 30 Mil­lio­nen, dass ei­ne der oben er­wähn­ten 100 Mu­ta­tio­nen pro Ge­nera­ti­on an die rich­ti­ge Stel­le fällt (100/3 Mil­li­ar­den = 1/30 Mil­lio­nen). Die Chan­ce, dass dies ein­mal bei ei­ner Po­pu­la­ti­on von 10.000 Men­schen (oder ih­ren mut­maß­li­chen Vor­fah­ren) ge­schieht, liegt dem­nach bei 1/3000. Mit an­de­ren Wor­ten, al­le 3000 Ge­nera­tio­nen wird es durch­schnitt­lich ein­mal pas­sie­ren. Wenn wir durch­schnitt­lich 10 Jah­re für ei­ne Ge­nera­ti­on rech­nen, dann dau­ert es 30.000 Jah­re, um ein­mal ei­nen Tref­fer zu ha­ben. Aber ist es der rich­ti­ge Tref­fer? Es muss auch der rich­ti­ge DNA-Buch­sta­be sein (die DNA hat vier ver­schie­de­ne Nu­kleo­ti­de).[1] In zwei von drei Fäl­len ist es der fal­sche Buch­sta­be. Be­vor wir al­so den ers­ten rich­ti­gen Tref­fer lan­den, sind 30.000–90.000 Jah­re vergangen!

Erst jetzt be­ginnt es wirk­lich span­nend zu wer­den. Denn wir ha­ben zwar den ers­ten Tref­fer ge­lan­det, aber was wird mit die­ser Mu­ta­ti­on ge­sche­hen? Wenn es sich um ei­ne neu­tra­le Mu­ta­ti­on han­delt, wird sie nor­ma­ler­wei­se auf­grund der zu­fäl­li­gen ge­ne­ti­schen Drift ver­lo­ren ge­hen. Nach An­sicht der Po­pu­la­ti­ons­ge­ne­ti­ker hat je­de neu­tra­le Mu­ta­ti­on nur die mi­ni­ma­le Chan­ce von 1/2N (mit N = Po­pu­la­ti­ons­grö­ße), dass die­se Mu­ta­ti­on nicht wie­der ver­lo­ren geht! Nach­dem ei­ne Mu­ta­ti­on end­lich an der rich­ti­gen Stel­le auf­ge­tre­ten ist, ist die Chan­ce, dass sie tat­säch­lich in der Po­pu­la­ti­on er­hal­ten bleibt, al­so mi­ni­mal (1/20.000 bei ei­ner Po­pu­la­ti­ons­grö­ße von 10.000 In­di­vi­du­en). Hier braucht man da­her die na­tür­li­che Aus­le­se. Wir müs­sen al­so da­von aus­ge­hen, dass die Punkt­mu­ta­ti­on (Aus­tauschs ei­nes Nu­kleo­tids) im HAR1F-Gen des Vor­fah­ren (das bei den oben er­wähn­ten Af­fen mo­no­morph ist, al­so bei al­len In­di­vi­du­en iden­tisch und nicht mu­tiert) ei­nen se­lek­ti­ven Wert hat. Das ist durch­aus mög­lich. Ge­ben wir die­ser Mu­ta­ti­on ei­nen Se­lek­ti­ons­vor­teil von 0,5% ge­gen­über dem Gen des Vor­fah­ren, ist das „leicht vor­teil­haft“, aber den­noch sehr groß­zü­gig für ei­ne Punkt­mu­ta­ti­on in ei­nem sta­bi­len Gen (eher er­war­tet man ei­nen Nach­teil). Die Mu­ta­ti­on hat nach po­pu­la­ti­ons­ge­ne­ti­schen Be­rech­nun­gen nun ei­ne Chan­ce von 1%, sich in der Be­völ­ke­rung zu eta­blie­ren. Ein Tref­fer muss al­so durch­schnitt­lich 100 Mal er­fol­gen, um sich dau­er­haft ein­mal in der Po­pu­la­ti­on an­zu­sie­deln. Der ers­te rich­ti­ge Tref­fer tritt erst nach 30.000–90.000 Jah­ren ein, aber in der Po­pu­la­ti­on muss dies durch­schnitt­lich 100 Mal ge­sche­hen! 30.000–90.000 x 100 er­gibt 3–9 Mil­lio­nen! Es dau­ert da­her 3– 9 Mil­lio­nen Jah­re, um ei­ne Mu­ta­ti­on mit 0,5% Se­lek­ti­ons­vor­teil durch Se­lek­ti­on dau­er­haft im HAR1F-Gen zu er­hal­ten! Es wer­den aber noch wei­te­re 17 Mu­ta­tio­nen im HAR1F-Gen benötigt.

Ein Kom­men­tar in der Wis­sen­schafts­zeit­schrift Na­tu­re be­stä­tigt, dass das HAR1F-Gen durch Mutation/Selektion schwer zu er­klä­ren ist: „Es wird an­ge­nom­men, dass die Re­kom­bi­na­ti­on und der da­mit ver­bun­de­ne Pro­zess, die ver­zerr­te Gen­kon­ver­si­on („bia­sed ge­ne con­ver­si­on“), die Auf­nah­me von G- und C‑Nukleotiden ge­gen­über den bei­den an­de­ren mög­li­chen Nu­kleo­ti­den, A und T, be­güns­tigt […]. Da al­le bei HAR1F be­ob­ach­te­ten Nu­kleo­tid­sub­sti­tu­tio­nen von die­sem Typ sind, könn­ten ho­he (und ver­zerr­te) Mu­ta­ti­ons­ra­ten ei­nen Teil der ra­schen Evo­lu­ti­on von HAR1F er­klä­ren. Den­noch kann die­ser Pro­zess nicht die an­de­ren Be­ob­ach­tun­gen der Au­toren er­klä­ren, wie z.B. die Sub­sti­tu­ti­ons­paa­re, die zu­sam­men die Struk­tur der HAR1F-RNA wei­ter sta­bi­li­sie­ren“ (Pon­ting & Lun­ter 2006).

Zu­fäl­li­ge Mu­ta­tio­nen, Se­lek­ti­on und Gen­drift kön­nen das mensch­li­che HAR1F-Gen nicht er­klä­ren. Und es gibt 2700 wei­te­re HAR im mensch­li­chen Ge­nom, wo es ähn­lich gro­ße Un­ter­schie­de zum Schim­pan­sen­ge­nom gibt wie beim HAR1F-Gen! Was hat das al­so mit un­se­rer ei­ge­nen Exis­tenz zu tun? Die Ant­wort ist, dass es ei­ne wich­ti­ge Ein­schrän­kung des­sen dar­stellt, was wir aus den Ähn­lich­kei­ten von Men­schen und Men­schen­af­fen ab­lei­ten kön­nen: Ähn­lich­kei­ten sind als Be­le­ge für ge­mein­sa­me Ab­stam­mung frag­wür­dig, wenn zu­gleich mar­kan­te Un­ter­schie­de vor­lie­gen (vgl. Ter­borg 2019). Ins­be­son­de­re zeigt die­ses Bei­spiel, dass wir aus der Se­quenz in Pri­ma­ten nicht ab­lei­ten kön­nen, dass die dar­wi­nis­ti­sche Evo­lu­ti­on die Se­quenz in Men­schen her­vor­ge­bracht hat, nur weil sie ähn­lich sind. Ei­ne schritt­wei­se Evo­lu­ti­on ist si­cher­lich nicht die rich­ti­ge Er­klä­rung un­se­rer Existenz!

Quel­len

Du­rett R. & Schmidt D. (2008): Wai­t­ing for two mu­ta­ti­ons: with ap­p­li­ca­ti­ons to re­gu­la­to­ry se­quence evo­lu­ti­on and the li­mits of Dar­wi­ni­an evo­lu­ti­on. Ge­ne­tics 180, 1501–1509.

Pon­ting C. P. & Lun­ter G. (2006): Evo­lu­tio­na­ry bio­lo­gy: hu­man brain ge­ne wins ge­no­me race. Na­tu­re 443, 149–150.

Ter­borg P. (2019): Das Erb­gut von Mensch und Schim­pan­se. Wie groß ist die ge­ne­ti­sche Ver­wandt­schaft wirk­lich? Stud. In­te­gr. J. 26, 4–10.

Wall J. D. (2003): Esti­ma­ting an­ces­tral po­pu­la­ti­on si­zes and di­ver­gence times. Ge­ne­tics 163, 395–404.

An­mer­kung

[1] Man könn­te ar­gu­men­tie­ren, dass es nicht ge­nau die heu­ti­ge Se­quenz sein muss. Den­noch müss­te man ei­ne ähn­li­che Schlei­fe er­klä­ren, die eben­falls durch paar­wei­se po­si­tio­nier­te Nu­kleo­ti­de sta­bi­li­siert wer­den muss.


Au­tor die­ser News: Pe­ter Bor­ger, 05.06.2020

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