Beschleunigte Regionen fürs Gehirn im Genom

Unser Genom, unsere Erbmasse, gibt Wissenschaftlern noch viele Rätsel auf. Mit ‚human accelerated regions’ (HARs)’, menschlichen beschleunigten Regionen, im Genom beschäftigt sich eine Studie US-amerikanischer Wissenschaftler, die Anfang September im Wissenschaftsmagazin Neuron veröffentlicht wurde. Sie kommen zu dem Schluss, dass diese Gehirnregionen wie Entwicklungsverstärker für Neuronen wirken.

Erbmasse steuert nicht nur das Falten von Protein

Viele Menschen glauben, dass unsere Spezies der Höhepunkt der Evolution auf diesem Planeten ist. Tatsächlich handelt es sich bei unserem Gehirn um ein ungemein komplexes Organ. Doch ein Vergleich mit Tieren zeigt, dass wir bei bestimmten Parametern durchaus nicht an der Spitze stehen – obwohl wir über Milliarden von Neuronen mit Billionen von Verbindungen verfügen.

Beim Menschen macht das Gehirn rund 2 Prozent des gesamten Körpergewichts aus. Die simple Baumspitzmaus schlägt uns bei dieser Zahl um ein Vielfaches, denn ihr Gehirn schlägt mit satten 10 Prozent des Körpergewichts zu Buche. Selbst bei der Zahl der Neuronen stehen wir nicht an der Spitze. Der Killerwal hat ungefähr doppelt so viele Neuronen wie der Mensch.

Was uns von den Tieren unterscheidet, ist auch nicht das Erbmaterial. Schließlich haben wir 99 Prozent der Gene mit Schimpansen gemein. Was den großen Unterschied macht, scheint die Genregulation zu sein: die Art und Weise, wie unser Körper mit der Erbmasse umgeht.

Die aktuelle Studie der US-amerikanischen Wissenschaftler bestätigt diese Ansicht. Sie beschäftigten sich darin mit den HARs, die zum ersten Mal im Jahr 2006 beschrieben wurden.

Diese Regionen im Genom sind DNA-Sequenzen, die in fast allen nicht-menschlichen Säugetieren vorkommen. Allerdings zeigen sie nur beim Menschen zahlreiche Veränderungen. Wissenschaftler haben deshalb vermutet, dass sie die Geschwindigkeit der menschlichen Evolution beschleunigen.

Interessanterweise verhalten sich die HARs anders als die aktiven Teile der DNA, die kodieren. Diese Gene bestimmen das Falten von Proteinen aus Aminosäuren. Damit zählen HARs zu der sogenannten Junk-DNA, die Wissenschaftler früher als unwichtig betrachteten.

Für die aktuelle Studie untersuchten die Forscher über 3.100 HARs in verschiedenen Zelltypen und Geweben von Mensch und Maus. Dafür verwendeten sie eine Technik namens CaptureMPRA.

MPRA steht für Massively Parallel Reporter Assays. Diese Methode ermöglicht, viele DNA-Sequenzen in einer einzigen Petrischale zu bewerten. Für CaptureMPRA fügten die Wissenschaftler MPIs oder Molecular Inversion Probes hinzu. Sie können interessante Sequenzen „einfangen“ und somit bewerten lassen.

Dank CaptureMPRA konnten die Studienautoren die Aktivität von 3100 HARs beurteilen, ohne 3100 verschiedene Experimente durchführen zu müssen.

Dabei fanden sie heraus, dass 49 % der HARs

  • menschliche Nervenzellen deutlich erweitern
  • Speziell an der Entwicklung des Kortex beteiligt sind
  • 60 % der menschlichen HARs deutlich aktiver waren als bei Schimpansen
  • 80 % der HARs in menschlichen Zellen zugänglich sind, speziell in Zellen von ungeborenen Babys

DNA ist normalerweise platzsparend aufgewickelt, weil Platz auf der Zellebene knapp ist. Nur ausgewählte, kleine Teile der DNA sind im Normalfall zugänglich.

Von den untersuchten HARs beschäftigten sich 210 damit, die Entwicklung von Nervenzellen zu verbessern. Das bedeutet, sie sind von enormer Bedeutung für die Entwicklung unseres Gehirns und des gesamten Nervensystems.

Interessanterweise erwies sich das Gen PPP1R17 als besonders aktiv in Verbindung mit HARs. Bisher weiß man, dass dieses Gen in den Vorläuferzellen im menschlichen Kortex sehr rege am Werk ist. Vorläuferzellen wachsen zu Gehirnzellen heran.

Offensichtlich beeinflusst PPP1R17 den Zellzyklus stark, indem es ihn verlängert und so die Neurogenese, die Bildung von Nervenzellen verlangsamt – ein typischer Vorgang beim Menschen und bei Primaten.

Quelle:

Girskis KM, Stergachis AB, DeGennaro EM, Doan RN, Qian X, Johnson MB, Wang PP, Sejourne GM, Nagy MA, Pollina EA, Sousa AMM, Shin T, Kenny CJ, Scotellaro JL, Debo BM, Gonzalez DM, Rento LM, Yeh RC, Song JHT, Beaudin M, Fan J, Kharchenko PV, Sestan N, Greenberg ME, Walsh CA. Rewiring of human neurodevelopmental gene regulatory programs by human accelerated regions. Neuron. 2021 Aug 25:S0896-6273(21)00580-8. doi: 10.1016/j.neuron.2021.08.005. Epub ahead of print. PMID: 34478631. (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34478631/)

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