Menschliche Evolution: Gen-Gruppe NOTCH2NL regt das Gehirn-Wachstum an

Gen-Verdopplung „pimpt“ menschliche Großhirnrinde

Der Schimpanse ist im Tierreich unser nächster Verwandte. Wir teilen uns 99,4 Prozent aller Gene. Die Unterschiede sind nur minimal und doch entscheidend. Im Laufe der Evolution kam es zu Genverdopplungen und anschließend zu durchgreifenden Veränderungen. Es gibt daher einige Gene, die kommen nur im Genom des Homo sapiens vor. Eine kleine Gruppe von Genen, die die Produktion von Nervenzellen in der Großhirnrinde steigert, zählt zu diesem exklusiven Genkreis „only human“, wie eine belgisch-amerikanisches Team von Wissenschaftlern entdeckte und im Fachblatt Cells veröffentlichte.

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Schimpansen sind unsere nächsten Verwandten. Über 99 Prozent unserer Gene teilen wir mit ihnen, weswegen es nicht wenige Tierschützer gibt, die sagen, dass Menschenrechte auch für Menschenaffen gelten sollten. Doch genau der kleine Unterschied in den Genen macht den Mensch zum Menschen. Wissenschaftler wollen dies entschlüsseln und gehen (mal wieder) Ursache und Wirkung auf den Grund.

 

Diese Gruppe von Genen, die auf dem ersten Chromosom beheimatet sind, hat vermutlich dazu beigetragen, dass das menschliche Denkorgan so groß werden konnte. Der moderne Mensch (Homo sapiens sapiens) hat ein Gehirnvolumen von rund 1446 cm³, der Schimpanse dagegen nur von 399 cm³. Für die Bewertung, wie intelligent eine Art ist, wird jedoch die Relation Gehirnmasse zum Körpergewicht herangezogen. Da kommt der Mensch auf ein Verhältnis von 1 : 50, Schimpansen jedoch nur auf 1 : 115.

 

Mensch ist anfälliger für Gehirnentwicklungsstörungen wie Makrozephalie bzw. Mikrozephalie

Ist diese neu entstandene Gengruppe verstärkt aktiv, kann das zu einer Makrozephalie, also einem übermäßigen Gehirnwachstum, führen. Ist diese Gengruppe jedoch nicht ausreichend aktiv, droht eine Mikrozephalie, ein eingeschränktes Gehirnwachstum. Störungen des Gehirnwachstums werden auch mit Autismus und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die Veränderung des Erbguts brachte also nicht nur Vorteile mit sich. Sie verbesserte zwar die Denkleistung, erhöhte gleichzeitig aber auch das Risiko für psychische Störungen und Hirnerkrankungen.

Die Zellen der Großhirnrinde entstehen aus spezialisierten Vorläuferzellen, den sogenannten kortikalen Stammzellen. Diese gehen aus neuronalen Stammzellen hervor. Während der Embryonalentwicklung vermehren sich die Vorläuferzellen im Fötus zunächst durch zahlreiche Teilungen. Erst anschließend differenzieren sie sich in reife Neuronen. Bei Mäusen oder Affen ist der Prozess deutlich kürzer. Bereits nach wenigen Teilungen entstehen schon die Nervenzellen. Allerdings verfügen Mäuse oder Affen in der Gesamtzahl über deutlich weniger Neuronen als der Mensch. Bislang konnten Forscher diese Unterschiede nicht erklären.

 

Neue entstandene Gene beschleunigten Gehirnwachstum

Im evolutionärem Maßstab ging die Vergrößerung des menschlichen Gehirns recht schnell und sie stand am Anfang einer Reihe von bahnbrechenden Entwicklungen wie der Nutzung des Feuers oder dem Bearbeiten von Werkzeugen. Deswegen müssen die neu entstandenen Gene dafür mitverantwortlich sein. Die Wissenschaftler suchten daher gezielt beim Menschen nach entsprechenden Genen. Um auf die richtige Spur zu kommen, wurde im Hirngewebe von Föten die Genaktivität analysiert.

Am Ende konnten 35 Gene identifiziert werden, die sich durch eine große Aktivität bei der Entwicklung der Großhirnrinde (lat. Cortex) auszeichneten. Einige dieser Gene waren erst entstanden, nachdem sich das NOTCH2-Gen, das auch im Erbgut der Affen vorkommt, verdoppelte. Die NOTCH-Gene kommen übrigens bei fast allen Tieren vor und sind verantwortlich für die Regulierung des Organwachstums. Die NOTCH2-Gene helfen, den Signalweg zu kontrollieren, der die Entwicklung des Gehirns steuert.

 

Im Laufe der menschlichen Evolution kam es zu einer Verstärkung des NOTCH-Signalweges

Drei der nur beim Menschen vorkommenden Varianten dieser sogenannten NOTCH2NL-Gene tragen zur Verstärkung des NOTCH-Signalweges bei. Der Ablauf der Zellteilungen wurde so verändert. Die neuronalen Vorläuferzellen teilen sich beim Menschen viel häufiger, sodass nach der Ausdifferenzierung die für den Menschen so typische, ausgedehnte Großhirnrinde mit der Vielzahl an Neuronen entsteht. Kommt es nun zu einer schwachen oder übermäßigen Aktivität der NOTCH2NL-Gene, so treten angeborene Hirnschäden und psychische Störungen auf.

Diese Vermutung bestätigen auch genetische Untersuchungen an der University of California in Santa Cruz (USA). Dort griffen die Wissenschaftler auf Zellmaterial von elf Patienten mit Makro- und Mikrozephalie zurück. Genetische Veränderungen bei den NTOCH2NL-Genen lassen darüberhinaus auf einen Zusammenhang mit ADHS, Autismus, Schizophrenie sowie anderen neurologischen Erkrankungen schließen.

Dafür untersuchten die Forscher Hirngewebe von Menschen und Affen. Die Zellen war aus entsprechenden Stammzellen gezüchtet worden. Die Stammzellen hatten sich zu „zerebralen Organoiden“ zusammengeschlossen, die den Gehirnen in der ganz frühen Embryonalentwicklung ähneln. Aus diesen Minigehirnen formieren sich die charakteristischen Strukturen aus vernetzten Neuronen, die letztlich die Großhirnrinde bilden. NOTCH2NL-Gene konnten ausschließlich in menschlichen Zellen nachgewiesen werden. Funktionierende NOTCH2NL-Gene fanden sich weder in den Organoiden von Makaken noch im Erbgut der drei großen Menschenaffenarten: Schimpansen, Gorillas und Orang-Utans. Gorillas und Orang-Utans fehlen sie ganz. Bei Schimpansen existieren nur verkürzte, inaktive Varianten.

Wurden die NOTCH2NL-Gene in murine Organoide eingebracht, so konnte eine erhöhte Produktion an Neuronen beobachtet werden. Wurden die NOTCH2NL-Gene jedoch aus den menschlichen Organoiden entfernt, so beschleunigte sich zwar die Differenzierung der Stammzellen zu den Zellen der Großhirnrinde. Jedoch entstanden insgesamt deutlich weniger Neuronen.

 

Der Grundstein für ein großes Gehirn wurde vor drei bis vier Millionen Jahren gelegt

Die Wissenschaftler vermuten, dass es vor ungefähr drei bis vier Millionen Jahren bei einem der gemeinsamen Urahnen von Mensch und Schimpanse zu einer Verdopplung der NOTCH2-Gene kam. Zunächst hatte das Duplikat keinerlei Funktion. Doch während der weiteren Evolution und der Abtrennung des Menschen entstanden daraus die NOTCH2NL-Gene, die bis heute funktionieren und neue Aufgaben übernahmen.

Vergleiche der Genome von modernen Menschen, Neandertalern und Denisova-Menschen zeigen, dass auch die beiden archaischen und heute ausgestorbenen Verwandten über die NOTCH2NL-Gene verfügten. Die Menschheit verdankt ihr großes Gehirn eben jener Verdopplung von NOTCH2 und die daran anschließende Weiterentwicklung. Jedoch ging mit diesem Zuwachs eine erhöhte Instabilität in einem Abschnitt des Chromosoms 1 einher. Dadurch wurde der Mensch anfälliger für ein gestörtes Hirnwachstum und psychische Erkrankungen.

 

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