Natürliche Selektion auf molekularer Ebene Understand article

Übersetzt von: Veronika Ebert, Höhere Bundeslehr- und versuchsanstalt für chemische Industrie, Wien Wir wissen, dass bestimmte genetische Sequenzen für das Überleben in unserer Umwelt nützlich sein können – das ist die Basis der Evolution. Es ist jedoch alles andere als leicht heraus zu…

Als die Menschen zu Beginn, vor etwa 150 000 Jahren, Afrika verließen, sich in den Tälern von Euphrat und Tigris ansiedelten, zwischen den indonesischen Inseln segelten, die Beringstraße überquerten, um schließlich Amerika zu erreichen, hatten sie viele Schwierigkeiten zu bestehen. Aus den heißen, trockenen Savannen Afrikas stammend, mussten sie sich an lokale Umweltbedingungen anpassen. Ihre Physiologie und ihr Aussehen änderte sich über viele Generationen demensprechend (Harris & Meyer, 2008). Die Haut jener Menschen, die in sonnenärmeren Gegenden lebten, wurde heller (Lamason et al., 2005). Populationen, die Milch von Haustieren konsumierten, behielten die Fähigkeit Milchzucker (Laktose) abzubauen bis in das Erwachsenenalter bei. Diese Fähigkeit geht nach der Kindheit verloren, wenn keine Milch getrunken wird (Tishkoff et al., 2007). Populationen, die Stärke-reiche Lebensmittel verzehrten, erzeugten höhere Mengen von Speichelamylase, dem Enzym, das an der Verdauung von Stärke beteiligt ist (Perry et al., 2007).

Zumindest ein Teil dieser Veränderungen dürfte auf eine positive Selektion (Erklärungen für kursiv geschriebene Begriffe siehe Glossar)zurückzuführen sein. Das bedeutet, dass bestimmte Umweltbedingungen (der Selektionsdruck) in der Vergangenheit dazu geführt hat, dass Menschen mit vorteilhaften Gensequenzen überlebt und eine größere Zahl von Nachkommen hervorgebracht haben als Menschen mit anderen, weniger vorteilhaften Ausprägungen. Die Untersuchung der Genomsequenz vieler Arten, darunter auch jene des Menschen und seiner nächsten Verwandten, mit modernen Untersuchungsmethoden erlaubt es, die Merkmale  und DNA-Sequenzen von Populationen oder Arten mit unterschiedlicher Lebensweise und unter verschiedenen Umweltbedingungen zu vergleichen. Dadurch kann festgestellt werden, welche Sequenzen für die Anpassungen verantwortlich sein könnten. Die Forscher/innen können somit die Funktion der DNA-Abschnitte und ihre “adaptive Bedeutung” für ein Lebewesen ermitteln.

Verschiedene Sequenzvarianten einiger Gene, die die Hautfarbe beim Menschen regeln, zeigen eine spezifische geographische Verteilung. Sequenzvergleiche zwischen europäischen und afrikanischen Populationen lassen vermuten, dass die Variabilität der Hautfarbe auf eine positive Selektion zurück zu führen ist. Helle Hauttönungen korrelieren positiv mit größerer geographischer Breite. Für diesen Effekt gibt es verschiedene Hypothesen, die den potentiellen Vorteil hellerer Haut erklären können.

Die Annahme, dass die Bildung von Vitamin D durch eine helle Hautfarbe gefördert wird, wird durch Beobachtungen an Menschen mit dunkler Hautfarbe unterstützt. Wenn letztere in größeren geographischen Breiten leben, leiden sie unter Vitamin D Mangel. Außerdem ist eine hellere Haut empfindlicher gegenüber der schädlichen Wirkung des Sonnenlichts: Stärkere Sonneneinstrahlung korreliert mit dem Auftreten von Hautkrebs bei hellhäutigen Menschen. Es ist daher anzunehmen, dass die helle Haut der in größeren geographischen Breiten lebendenden  Menschen, einen evolutionärer Kompromiss zwischen dem Schutz vor den krebserregenden Effekten des Sonnenlichts und der ausreichenden Produktion des notwendigen Vitamin D´s darstellen.

Obwohl es sich dabei um eine stichhaltige Hypothese handelt, ist sie dennoch nur indirekt belegbar. Der direkte Nachweis für den adaptativen Wert der Hautfarbe würde eine Messung erfordern, mit der festgestellt werden kann, ob hellhäutige Menschen in größerer Höhe länger überlegen und mehr Nachwuchs in die Welt setzen. Diese Nachweise sind in menschlichen Populationen schwer zu erbringen: Überlebensexperimente, bei denen Einzelne verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt werden, um festzustellen, wer besser überleben kann, können mit Menschen nicht durchgeführt werden. Unsere lange Generationszeit macht es auch schwierig, unterschiedliche Reproduktionsraten zu detektieren. Obwohl die Bedingungen, unter denen es möglich ist, den adaptiven Wert eines Merkmals im Menschen zu erfassen begrenzt sind, gibt es sie doch.

Ein Beispiel umfasst zwei Krankheiten: die Sichelzellanämie und die Malaria. Das Gen, das bei der Sichelzellanämie betroffen ist, kommt in zwei Varianten, sogenannten Allelen vor: ein “normales” Allel und ein Sichelzellallel. Personen mit dem Sichelzellallel leiden unter einer schweren Sichelzellanämie, während jene mit dem normalen Allel gesund sind. Die Analyse von Mortalitäts-(Todes-)raten last vermuten, dass das Sichelzellallel trotzdem vorteilhaft sein kann: in Populationen, die mit dem Malariaerreger in Kontakt kommen, haben Personen, die über je ein normales Allel und ein Sichelzellallel verfügen, größere Überlebenschancen als Personen mit zwei normalen Allelen. Verantwortlich dafür dürfte sein, dass der Parasit (Plasmodium falciparum) intakte rote Blutzellen benötigt, in die er eindringen und sich vermehren kann. Daher nimmt die Häufigkeit des Sichelzellallels in Gruppen, die dem Malariaerreger ausgesetzt sind, zu – die Allelausstattung wird der Umwelt angepasst.

Ein anderes Beispiel für den adaptiven Wert eines menschlichen Merkmals betrifft ein Fragment des Chromosoms 17, das in unseren Vorfahren vor mehr als drei Millionen Jahren invertiert (umgedreht) worden ist (Stefansson et al., 2005). Die Tatsache, dass sich diese Variante in den europäischen Populationen verbreitet hat, lässt vermuten, dass hier eine positive Selektion stattfand –Individuen mit dieser Variante hatten Vorteile. Die Genotypisierung der meisten Isländer/innen zeigte, dass Individuen mit dieser Sequenzvariante während der letzten 80 Jahre durchschnittlich 3,2% mehr Nachkommen pro Generation hatten als Personen mit der normalen Sequenz. Eine plausible Erklärung, wie sich diese Variante so rasch verbreiten konnte.
Obwohl diese Beispiele die Wirkung erst kürzlich stattgefundener positiver Selektion im Menschen klar belegen können, bleibt der molekulare Mechanismus, der erklärt, warum diese Sequenzvariationen Vorteile bringen können, im Dunklen. Hier muss jeder Einzelfall gesondert untersucht werden. Zur Aufklärung der kausalen Zusammenhänge zwischen mutmaßlichen adaptiven DNA-Abschnitten und der Fitness eines Individuums, haben sich die Wissenschafter/innen einfacher untersuchbaren Modellorganismen zugewandt.

Zum Beispiel der Alabama-Küstenmaus, Peromyscus polionotus. Die Farbe ihres Fells passt zur Farbe des jeweiligen Untergrunds und bietet dadurch eine exzellenteTarnung. Mäuse, die auf dem hellen Sand Floridas leben,  sind viel heller als Individuen der gleichen Art, die im Landesinneren beheimatet sind. Der adaptive Wert dieses Merkmal konnte schon vor 30 Jahren experimentell gezeigt werden: Mäuse mit einer zum jeweiligen Untergrund passenden Fellfarbe wurden seltener von Eulen gefressen als schlechter getarnte Mäuse. Dennoch konnten erst kürzlich die für diese adaptive Merkmal verantwortlichen Genorte  identifiziert werden (Hoekstra et al., 2006): Die Variation der Fellfarbe hängt in erster Linie von den unterschiedlichen Allelen des McR1 Gens ab. Das Protein, das von diesem Gen kodiert wird, fungiert als biochemischer Schalter, der entweder die Produktion von Eumelanin, dem dunklen Hautpigment, oder von Phaeomelanin, einem hellen Pigment, steuert. Die beiden Allele des McR1-Gens aktivieren die Pigment-produzierenden Stoffwechselwege in einem unterschiedlichen Ausmaß, wodurch entweder die Produktion des einen, oder des anderen Pigments begünstigt wird.

Ein weiteres Beispiel für einen belegbaren kausalen Zusammenhangs bietet Staphylococcus aureus, ein Bakterium, das für Erkrankungen wie Lungenentzündung, oder Herzklappenentzündungen, verantwortlich ist. In einem selten vorkomenden natürlichen Experiment wurde ein Patient mit immer wiederkehrenden S. aureus-Infektionen drei Monate lang mit Vancomycin behandelt. Vancomycin ist eines jener wenigen Antibiotika, die bei S. aureus-Infektionen noch immer wirksam sind. Vor, und während der Behandlung wurden Proben (Isolate) des Krankheitserregers gesammelt. Die Isolate vom Erkrankungsbeginn und jene vom Ende der Infektion wurden komplett sequenziert. Der Vergleich der drei Millionen Basenpaare, der gesamten genetischen Information dieses Bakteriums, zeigte, dass nur 35 Basen verändert waren.

Durch Teilsequenzierung von Isolaten aus der mittleren Erkrankungsphase konnte die Reihenfolge, in der diese Basenveränderungen aufgetreten sein mussten, geklärt werden. Die in vitro Testung der Empfindlichkeit der verschiedenen Isolate gegenüber Vancomycin  erlaubte es, die einzelnen Basensubstitutionen (Austausch einzelner Basen der DNA) und ihre Auswirkung auf die Resistenz des Erregers gegenüber dem Medikament zu korrelieren. So fand man zwischen dem ersten und dem zweiten Isolat sechs Unterschiede in der Nukleotidsubstitutionen. Diese sechs Mutationen waren eindeutig vorteilhaft: sie verstärken die Vancomycinresistenz des Bakteriums um den Faktor 4, und erhöhten dadurch die Überlebenswahrscheinlichkeit und Vermehrungsrate von Bakterien mit dieser Mutation. Der Anteil an mutierten Bakterien an der Gesamtpopulation hatte sich dadurch erhöht. Sechsundzwanzig weitere Mutationen während der nachfolgenden Behandlungswochen verdoppelten die Resistenz, sodass ein Vancomydin-resistenter Stamm von S. aureus enstehen konnte (Mwangi et al., 2007).

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es nicht einfach ist, die molekularen Ursachen für die adaptive Evolution in natürlichen Populationen aufzuklären. Es ist notwendig, den selektiven Druck zu definieren, die für das jeweilige Merkmal verantwortlichen DNA-Sequenzen zu identifizieren, und die Mechanismen aufzuklären, wie das adaptive Merkmal durch die jeweilige Sequenzveränderung beeinflusst wird. Erst durch die Verwendung von Modellorganismen und neuerer Untersuchungsmethoden sind solche Untersuchungen möglich geworden, wodurch unser Verständnis, wie bestimmte genetische Veränderungen die Anpassung von Lebewesen an ihre Umwelt ermöglichen, zugenommen hat.

Acknowledgements

The author is grateful to David Hughes, Mehmet Somel and Ania Lorenc for helpful comments on the article.

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