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Gesundheit|Medizin

Homo sapiens profitierte von optimierter Zellteilung

Chromosomen
Bei einer fehlerhaften Zellteilung übriggebliebenes Chromosom. © Felipe Mora-Bermúdez / MPI-CBG

Der moderne Mensch unterscheidet sich in rund 100 Aminosäuren vom Neandertaler, doch welche biologischen Folgen dies im Einzelnen hat, ist bisher unklar. Jetzt haben Forscher für sechs dieser menschentypischen Mutationen herausgefunden, welche Vorteile sie unserer Spezies bringen. In Versuchen mit Mäusen und Hirnorganoiden zeigte sich, dass diese Veränderungen zu einer präziseren Anordnung und Aufteilung der Chromosomen bei der Zellteilung beitragen. Dadurch kommt es seltener zu fehlerhaften Teilungen. Weil die Proteine mit diesen geänderten Aminosäuren vor allem bei der Embryonalentwicklung unseres Gehirns aktiv sind, könnte dies zur überlegenen Hirnfunktion des Homo sapiens beigetragen haben.

Neandertaler und Denisova-Menschen waren die engsten Verwandten unserer Vorfahren und dem Homo sapiens schon in vielem ähnlich. Auch sie besaßen bereits ein relativ großes Gehirn, nutzten Werkzeuge und sie breiteten sich erfolgreich über weite Teile Eurasiens aus. Trotzdem starben sie aus, während der Homo sapiens als einzige Menschenart übrig blieb. Aber warum? Bekannt ist, dass sich diese Frühmenschen genetisch durch Veränderungen im Code für rund 100 Aminosäuren von uns unterschieden. Doch welche Funktionen die von diesen Veränderungen betroffenen Proteine haben und welche biologischen Unterschiede dies für den Homo sapiens brachte, ist bisher weitgehend unbekannt.

Drei Proteine auf dem Prüfstand

Sechs dieser neu vom Homo sapiens erworbenen Aminosäure-Veränderungen hat nun ein Team um Felipe Mora-Bermudez vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden näher untersucht. Diese Aminosuren liegen in drei Proteinen, die im heranwachsenden Embryo besonders stark im Neocortex, dem evolutionär jüngsten Teils unserer Großhirnrinde, aktiv sind. „Diese drei Proteine stechen heraus, weil sie Aminosäure-Änderungen tragen, die bei allen heutigen Menschen vorkommen, aber nicht bei Menschenaffen, Neandertalern oder Denisova-Menschen“, erklären die Wissenschaftler. „Jede funktionale Konsequenz dieses Aminosäure-Austauschs wäre demnach einzigartig für den modernen Menschen.“ Bereits bekannt ist, dass alle drei Proteine eine wichtige Rolle bei der Zellteilung spielen: KIF18a ist ein Motorprotein, das die korrekte Positionierung der Chromosomen kurz vor ihrer Aufteilung auf die Tochterzellen sicherstellt. KNL1 gehört zum Spindelapparat und wird für die Anheftung der Mikrotubuli an die Kinetochore im Chromosomenzentrum benötigt. SPAG5 ist für die Stabilisierung dieser Anheftung wichtig.

Die Frage ist jedoch, ob und wie die menschentypischen Veränderungen in diesen drei Proteine ihre Funktion beeinflussen – und welche Folgen dies für die Hirnentwicklung des Homo sapiens im Gegensatz zu seinen beiden Verwandten hatte. Um dies zu untersuchen, änderten Mora-Bermudez und seine Kollegen bei Mäuseembryos den Bauplan dieser drei Proteine mithilfe der Genschere Crispr/Cas9 in die menschliche Variante. Dann beobachteten die Forscher das Teilungsverhalten von Zellen im Neocortex der Tiere. Es zeigte sich, dass die Mäusezellen mit der Menschenvariante der Proteine länger in der Metaphase der Zellteilung verharrten – der Phase, in der die Chromosomen vom Spindelapparat in der Mitte der Zelle aufgereiht werden. Im Schnitt dauerte die Metaphase bei normalen Mäusen 4,6 Minuten, bei den „vermenschlichten“ hingegen 5,8 Minuten. Weil Mäuse bei diesen drei Proteinen mit Neandertalern und anderen Hominiden übereinstimmen, legt das nahe, dass dies ein Unterschied war, den unsere Vorfahren gegenüber ihren Vorgängern und Verwandten zeigten.

Weniger Chromosomenfehler bei der Zellteilung

Bestätigt wurde dies durch einen weiteren Versuch, in dem die Wissenschaftler aus menschlichen neuronalen Stammzellen gezüchtete Hirnorganoide untersuchten. Als sie bei einem Teil dieser Organoide die Neandertaler-Version der Proteine einbauten, zeigten sich auch dabei Unterschiede: Die Hirnzellen mit der „alten“ Variante hatten eine kürzere Metaphase und weniger stabil an die Spindel gebundene Chromosomen. Zudem gab es in diesen Zellen gut doppelt so viele Chromosomen, die am Ende dieser Teilungsphase noch „aus der Reihe tanzten“ und nicht korrekt in der Mitte aufgereiht lagen, wie das Team berichtet. Solche hinterherhinkenden Chromosomen sind eine häufige Quelle für eine fehlerhafte Aufteilung dieser Erbgutträger auf die Tochterzellen. „Und eine falsche Anzahl von Chromosomen zu haben, ist für eine Zelle meist keine gute Idee, wie man an der Trisomie 21 und Krebs sehen kann“, sagt Mora-Bermudez.

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Nach Ansicht der Wissenschaftler deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die von ihnen untersuchten Aminosäure-Veränderungen unseren Vorfahren einen wichtigen Vorteil brachten. Denn sie könnten dafür gesorgt haben, dass es weniger Fehler bei der Zellteilung gab – und dies vor allem während der Hirnentwicklung des Menschen. „Diese Veränderungen führten zu einer erhöhten Präzision bei der Chromosomen-Aufteilung in den apikalen Vorläuferzellen des sich entwickelnden Neocortex“, schreiben Mora-Bermudez und seine Kollegen. „Das könnte signifikante Konsequenzen gehabt haben.“ Denn aus diesen apikalen Zellen gehen fast alle Hirnzellen des Neocortex hervor. Mit anderen Worten: Bei Neandertalern, Denisova-Menschen und anderen frühen Menschenformen könnte die Hirnfunktion stärker durch solche Chromosomenfehler beeinträchtigt gewesen sein. Beim Homo sapiens hingegen war dies optimiert und könnte seinem Gehirn eine verbesserte Funktionalität verliehen haben. Um welche Funktionen es sich konkret handelt und wie sehr sich die von unseren Vorfahren erworbene Optimierung darauf auswirkt, müssen nun weitere Studien zeigen.

Quelle: Felipe Mora-Bermudez (Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abn7702

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