Neandertaler mischen mit- was DNA-Analysen über unsere Frühgeschichte verraten - Max-Wissen
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NEUGIERIG AUF WISSENSCHAFT
Aus ga be 33 / / W int er 2016 / 2 017
© Frank Vinken / MPG
Neandertaler mischen mit –
was DNA-Analysen über unsere Frühgeschichte verraten
Wer sind wir? Woher kommen wir? Das sind zentrale 2005 hatte ein wissenschaftliches Konsortium unter Beteili-
Fragen, die uns Menschen schon seit mehr als einem Jahr- gung von Pääbos Arbeitsgruppe das Genom des Schimpansen
hundert beschäftigen – spätestens seit dem Jahr 1856, als sequenziert und nachgewiesen, dass sich nur etwas mehr als ein
Arbeiter im Neandertal, ungefähr zwölf Kilometer östlich Prozent der Nukleotide in den DNA-Sequenzen unter scheiden,
von Düsseldorf, in einem Steinbruch eine kleine Höhle die der moderne Mensch mit dem Schimpansen gemeinsam
aus räumten und dabei Reste eines Skeletts entdeckten. hat (siehe auch BIOMAX 12) . „Die Neandertaler sollten uns
Über die Zuordnung der Knochenfragmente wurde lange natürlich noch viel näher stehen“, sagt Pääbo. „Wenn wir
gestritten. Die Meinung einiger Anatomen, dass es sich aus ihren Knochen die DNA extrahieren und dann analysieren
hierbei um eine Frühform des modernen Menschen handle, könnten“, so die Überlegungen des Molekularbiologen, „dann
wurde insbesondere von dem einflussreichen deutschen würden wir zweifellos feststellen, dass die Neandertaler-Gene
Pathologen Rudolf Virchow nicht geteilt. Gegen Ende des den unseren sehr ähnlich sind.“ Viel spannender aber wären
19. Jahrhunderts jedoch hatte sich die Auffassung durch- die Unterschiede: „Unter den winzigen Abweichungen, die
gesetzt, dass der Neander taler ein Vorläufer des ana- wir erwarteten, sollten auch genau jene sein, die uns von
tomisch modernen Menschen war. allen unseren menschlichen Vorläufern unterscheiden und die
die biologische Basis dafür gewesen sind, dass der moderne
Dank der mehr als 300 Skelettfunde ist der Neandertaler die Mensch eine vollkommen neue Entwicklungsrichtung ein -
am besten untersuchte fossile Art der Gattung Homo. Wie ähn- geschlagen hat – kulturell und technologisch.“
lich die Neandertaler uns waren, ob sie einen ausgestorbenen
Ast im Stammbaum der Frühmenschen darstellten und ob sich Die Untersuchung alter DNA erweist sich jedoch gleich in zweierlei
einige ihrer Gene noch heute im modernen Menschen finden, Hinsicht als schwierig: Nur ein winziger Anteil der DNA in einem
all diese Fragen ließen sich aber auf der Basis rein anatomischer Knochenfragment ist alt, oft weniger als 0,1 Prozent. Der Rest
Unter suchungen nicht beantworten. Svante Pääbo, Direktor am stammt von Bakterien, die über Jahrtausende in den Knochen
Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig gelebt haben. Eine weitere Quelle für Verunreinigungen ist die DNA
(Titelbild) , war überzeugt, dass die Neandertalerknochen noch heutiger Menschen. Denn sie ist allgegenwärtig – wir hinterlassen
einen größeren Schatz bereithalten. unsere DNA mit kleinsten Hautschuppen etc. und kontaminieren
SEITE 1
starken Fragmentierung führt. In den Knochenproben nimmt der
Abb. A: Ohne Kontaminationen Anteil von DNA-Sequenzen mit kürzeren Fragmentlängen daher
zu. Mit der bestehenden Technologie zur DNA-Sequenzierung
konnten diese kurzen Fragmente jedoch nicht schnell und in
großer Zahl ausgelesen werden.
TECHNOLOGISCHER TREIBER FÜR DIE PAL ÄOGENETIK
Den Durchbruch brachte eine ganz neue Technologie der
DNA-Sequenzierung. Das Grundprinzip des Sequenzierens
ist dabei unverändert geblieben: Entlang eines abzulesenden
DNA- Stückes wird eine komplementäre Sequenz hergestellt.
Der Einbau erkennbarer (in den meisten Fällen mit Farbstoffen
markierter) Nukleotide wird registriert und anhand der zeitlichen
Abfolge der Einbauereignisse die gesuchte Sequenz ermittelt.
Um Verunreinigungen der Knochen mit eigener DNA zu ver hindern, Dieses Prinzip liegt auch der Next Generation Sequencing-Tech-
müssen die Forscher umfangreiche Vorsichtsmaß nahmen treffen. nology (NGS) zugrunde – nur dass hierbei das Grundprinzip des
© Frank Vinken / MPG Sequenzierens in unglaublich verdichteter, effizienter und extrem
ver vielfältigter Weise zur Anwendung gebracht wird. Im Rahmen
von Next Generation Sequencing können so bis zu hunderte
so auch archäologische Funde. Bei der Unter suchung früh- Millionen Sequenzen gleichzeitig und hochgradig auto matisiert
menschlichen Erbguts ist diese Kontamination aufgrund der Ähn- ausgelesen werden (siehe Kasten Seite 3) . Das ermöglicht
lichkeit der DNA-Sequenzen nur schwer zu entdecken. einen enorm hohen Probendurchsatz, so dass ein komplettes
menschliches Genom mit seinen 3,2 Milliarden Buchstaben, für
Um die Authentizität alter DNA-Sequenzen sicherzustellen, ver- das das Human Genome Project noch 10 Jahre und hunderte
suchen Forscher, Verunreinigungen an der Ausgrabungs stätte Labore weltweit brauchte, inzwischen innerhalb weniger Tage
sowie bei ihren weiteren molekularbiologischen Untersuchungen von einem einzigen Labor sequenziert werden kann!
zu verhindern (Abb. A) oder – wenn das nicht bzw. nicht mehr
möglich ist – die Verunreinigung bei der Analyse der Sequenz- Mittels NGS kann nun auch sehr alte, stark fragmentierte DNA
daten zu identifizieren. Dabei machen sie sich den Umstand mit Fragmenten, die kürzer als 60 oder 70 Basenpaare sind, sehr
zu Nutze, dass post mortem, also nach Eintreten des Todes, effektiv sequenziert werden. Infolgedessen setzte förmlich ein
über Jahrhunderte Buchstaben in der DNA verändert werden. Boom bei der Sequenzierung alter DNA ein (Abb. B) . Anfang
Dabei steigt an beiden Enden des DNA-Moleküls der Anteil von 2006 präsentierten Stephan Schuster von der Pennsylvania
Cytosinen, denen eine Aminogruppe abhanden gekommen ist. State University und seine kanadischen Kollegen das 13 Millionen
Das Cytosin wird damit zu einem Uracil (U), einer Base, die Basenpaare umfassende Kerngenom eines ausgestorbenen
normalerweise in der RNA vorkommt. Die DNA- Polymerase Wollmammuts. „Wir waren ein wenig enttäuscht, dass wir nicht
behandelt dieses „U“ wie ein „T“ für Thymin – über proportional als Erste die Sequenz einer alten DNA mit der neuen Sequen-
viele Ts an den Enden von DNA - Molekülen sind daher ein zierungstechnik aufgeklärt hatten“, berichtet Pääbo. Schließlich
zuverlässiges Signal, um alte von neuer DNA zu unter scheiden. besaß seine Arbeitsgruppe schon seit Monaten die Daten aus
den von ihr untersuchten Mammut- und Höhlen bärknochen.
Eine weitere Erschwernis liegt darin, dass alte DNA den chemi- „Wir hatten aber weitere Analysen und Experimente durch-
schen Abbauprozessen schon länger ausgesetzt ist, was zu einer geführt, um ein möglichst vollständiges Bild zu ver öffent-
Abb. B: Zunahme der Gesamtzahl der publizierten vollständigen frühgeschichtlichen Humangenome
A Komplette Genome B Mitochondriale Genome
30 120
25 100
20 80
15 60
10 40
5 20
0 0
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
© https://investigativegenetics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13323-015-0020-4
SEITE 2lichen – die anderen hingegen wollten einfach nur schneller
Next Generation Sequencing
sein.“ Die Leipziger Forscher publizierten ihre Ergebnisse im
September 2006 – und begannen noch im selben Jahr mit ihrem
wohl riskantestem Projekt: der Sequenzierung des Neander-
1 2 A A A
taler-Genoms. „Ich wusste, dass ein Erfolg nicht so einfach zu
erzielen war“, erzählt Pääbo rückblickend. „Er hing vielmehr von
drei Voraussetzungen ab: von vielen Sequenzier automaten, viel
mehr Geld und geeigneten Neandertalerknochen. Nichts davon
hatten wir zu Beginn.“
B B B
Vier Jahre später war das scheinbar Unmögliche wahr gewor-
den: Pääbo und seine Mitstreiter konnten im Fachmagazin S CIENCE
einen ersten Entwurf der Gensequenz unseres vor rund 40.000 3
Jahren ausgestorbenen Verwandten präsentieren. Der Entwurf
basierte auf der Analyse von mehr als einer Milliarde DNA-
Frag menten aus mehreren Neandertaler-Knochen aus Kroatien,
Spanien, Russland und Deutschland. Außerdem sequenzierten die
Forscher fünf menschliche Genome europäischer, asiatischer
und afrikanischer Abstammung und verglichen diese mit dem
Neandertaler- Genom. Der Vergleich förderte Erstaun liches
zutage: In den Genomen aller außerhalb Afrikas lebender
Menschen fanden sich Spuren vom Neandertaler. „Zwischen 1,5
und 2,1 Prozent der DNA im Genom der heutigen Nicht-Afrikaner
stammen vom Neandertaler“, sagt Pääbo. „Asiaten tragen sogar
4
noch etwas mehr davon in sich.“ Das waren klare Indizien für
vielfachen artfremden Sex während der Eroberung Eurasiens.
Begonnen hatte das Techtelmechtel zwischen Neandertaler und
Homo sapiens vor rund 50.000 bis 80.000 Jahren, als unsere
Vorfahren den afrikanischen Kontinent verließen und sich in
Europa und Asien ausbreiteten, wo sie auf die Neandertaler
stießen. Während dieser Zeit kam es immer wieder zur erfolg-
reichen Fortpflanzung zwischen den eng verwandten Arten.
Fügt man alle heute noch vorhandenen Schnipsel zusammen,
lassen sich 40 Prozent des einstigen Erbmaterials der Neander-
taler rekonstruieren. Von dieser DNA profitierten unsere Vor- 5
fahren. Während die meisten schädlichen Neandertaler-Gene
durch Selektion aussortiert wurden, setzten sich nützliche in A A T G
der menschlichen Population fest. Darunter auch solche, die
mit der Beschaffenheit von Haut und Haaren in Verbindung
stehen. Gut möglich also, dass unsere Vorfahren ihre weiße
T A A T T
Haut von den Neandertalern erbten. Gerade in höheren Breiten
war eine helle Körperoberfläche von Vorteil, weil damit die Pro-
duktion von Vitamin D aus Sonnenlicht effizienter ist. „Indem
der moderne Mensch sich mit den Ureinwohnern seiner neuen C C A G
Heimat mischte, konnte er sich besser an die neue Umgebung
anpassen“, vermutet Pääbo. Svante Pääbo und seine Kollegen sequenzierten mehr als 1 Million
Basenpaare Neandertaler-DNA (1) unter Verwendung eines als Pyro-
sequenzierung bekannten Ansatzes. Bei diesem Verfahren wird die
SPURENSUCHE IM GENOM VON HOMO SAPIENS DNA zunächst in Einzelstränge überführt (2) und dann an mit Oligo-
Und welche Auswirkungen haben die geerbten Neandertaler- nukleotiden bestückte Mikroperlen (engl. beads) gebunden. Die DNA
sequenzen heute? Anhand aktueller klinischer Daten lassen sich belandenen Mikroperlen werden zusammen mit den PCR-Reagenzien
Einflüsse auf Funktionen der Haut, des Immunsystems und des in Öl emulgiert, wobei idealerweise Emulsionströpfchen erzeugt
Stoffwechsels erkennen. Einige Neandertaler-Gene, die manche werden, die nur eine Mikroperle enthalten (3) . In dieser Umgebung
werden die DNA-Stränge nun vervielfältigt (emPCR) und anschließend
von uns in sich tragen, erhöhen das Risiko, an Diabetes Typ 2
in die Vertiefungen einer Picotiterplatte gebracht, bei der unter jeder
oder Morbus Crohn zu erkranken. Im Kampf gegen Krankheits-
Pore ein Lichtleiter zu einem Detektor führt (4) . Die DNA- Polymerase
erreger kann der moderne Mensch allerdings von archaischen wird nun gewissermaßen „in Aktion“ beobachtet, wie sie nachein -
Gensequenzen auch profitieren: Sie kodieren für drei bestimm- ander einzelne Nukleotide an den neu zu synthetisierenden DNA-
te Immunrezeptoren und verringern damit die Neigung zu Strang anhängt. Der erfolgreiche Einbau eines Nukleotids wird auf
Magen geschwüren. der Basis eines Fluoreszenzsignals von einem Detektor erfasst (5) .
SEITE 3Während der Neandertaler in bestimmten Regionen seines Die Befunde der neuen Paläogenetik führen zu einer ganz
Genoms noch „Schimpansen-ähnliche“ Genvarianten besitzt, neuen Sicht auf die evolutionären Prozesse, die einst den
tragen die meisten modernen Menschen an derselben Stelle Homo sapiens hervorbrachten und ihm als letztem Vertreter
bereits abgeleitete Genvarianten. „Genau diese Bereiche unseres seiner Gattung zum großen Auftritt auf unserem Planeten ver-
Genoms könnten entscheidend zur Entwicklung des modernen holfen haben. Die Erkenntnisse zeigen: Die vielen Hundert-
Menschen beigetragen haben, weil wir hier früh in unserer tausend Jahre der Humanevolution verliefen anders, als man
HN // www.haak-nakat.de |
evo lutionären Geschichte besonders vorteilhafte Mutationen lange dachte. Seit es den Forschern gelingt, die erhaltene Erb-
erworben haben“, sagt Pääbo. Die Veränderungen im FOXP2- substanz in Knochen funden zum Sprechen zu bringen, bröckelt
www.haak-nakat.de
Gen (siehe auch BIOMAX 12) , das mutmaßlich die Entwick lung die mühsam Knochen für Knochen aufgebaute Lehrmeinung.
unserer Sprechfähigkeit orchestriert, werden hingegen von Homo Homo sapiens steht nicht mehr als Krone der Evolution da,
sapiens und Neandertaler geteilt. Möglich also, dass der Neander- sondern eher als Spross diverser „Liebschaften“ in der Vorzeit.
taler in dieser Hinsicht über dieselben kognitiven Fähig keiten
Bernd Haak,
verfügte? Der Katalog der genetischen Unter schiede zwischen UNSERE POPULATIONSGESCHICHTE IM LICHT ALTER DNA
Beck | Gestaltung:
Frühmenschen und modernen Menschen umfasst unter anderem Die Vorgänger leben weiter, im heutigen Menschen, in unserem
87 Proteine sowie eine Reihe von microRNAs (nichtkodierende Erbgut. Im Jahre 2010 sequenzierten Svante Pääbo und sein Team
| Gestaltung:
RNA-Schnipsel, die eine wichtige Rolle bei der Genregulation, DNA aus dem winzigen Fragment eines Finger knochens, den sie
insbesondere beim Stummschalten von Genen spielen). in der Denisova-Höhle in Südsibirien entdeckt hatten. „Mittels
Christina
Genanalysen konnten wir zeigen, dass es sich um eine bis dahin
Text: Dr. Beck
unbekannte Menschenform handelt“, erklärt Pääbo, und dass
Abb. C: Modell zum Genfluss
dieser Denisova-Mensch, wie die Forscher ihn genannt haben,
undChristina
Denisova-Mensch sich mit den Vorfahren der heutigen Bewohner von Australien,
Moderner Mensch Neandertaler Neuguinea und Ostasien gepaart hat. Genomvergleiche belegen,
und Text: Dr.
dass es zwischen Neander taler, Denisova-Mensch und Homo
| Redaktion
Ozeanien -0,2% >0,
5% Altai (Sibirien)
sapiens zum Austausch von Genen (Genfluss) gekommen
Asien 3 - 6% Vindija (Kroatien)
sein muss (Abb. C) . „Vor diesem Hintergrund müssen wir den
| Redaktion
Europa Mezmaiskaya
| e-mail: presse@gv.mpg.de
(Südrussland) modernen Menschen inzwischen als Teil einer hominiden Meta-
1,5 - 2,1%
Afrika
0,5
population betrachten“, sagt Pääbo. „Einzigartig sind eigentlich
- 8
potenziell nur die letzten 20.000 Jahre, in denen wir als Menschen allein
maxwissen@gv.mpg.de
,0
%
unbekannter
Hominide auf der Welt waren.“ Und der Paläogenetiker prophezeit: „In
Zukunft werden wir aus minimalen Funden sicher noch viel mehr
Die Abbildung zeigt die Richtung und den geschätzten Um - über die Bevölkerungs geschichte erfahren.“
fang der Genflüsse zwischen Neandertaler, Denisova-Mensch
München
und modernem Menschen. Ob es einen direkten Genfluss vom
| E-Mail:
Denisova -Menschen nach Asien gab, ist dabei ungewiss (gepunkte-
Schlagwörter
te Linie). In drei von fünf Fällen konnten die Forscher eine Kreuzung
Schlagwörter Genom, Selektion, Genvarianten,
8, 80539
DNA-Sequenzierung,
zwischen vier verschiedenen Hominiden-Populationen nachweisen.
8, 80539 München
Bei dem „potenziell unbekannten Frühmenschen“ könnte es sich
DNA-Sequenzierung, Genom, Selektion, Gen
Genfluss
Hofgartenstraße
um Homo erectus gehandelt haben. varianten, Genfluss
Lese-Tipps
Lese-Tipps
aus: K. Prüfer et al., Nature 505, 43–49, 2. Januar 2014
Svante Pääbo, Die Neandertaler und wir, S. Fischer,
Svante Pääbo, Die Neandertaler und wir,
Frankfurt a.M. 2014;
Hofgartenstraße
S. Fischer, Frankfurt a.M. 2014
Abteilung Kommunikation,
Und dabei stehen die Wissenschaftler erst am Anfang, die funk- Spektrum Kompakt: Die Ursprünge des Menschen –
Spektrum Kompakt: Die Ursprünge des Menschen
tionellen Folgen bestimmter genetischer Änderungen zu verste- Gene schreiben
–Gene Menschheits
schreiben geschichte, 2015
Menschheitsgeschichte, 2015
hen. So haben die Max-Planck-Forscher zusammen mit Kolle-
Link-Tipps
Link-Tipps
Abteilung Kommunikation,
gen von den Universitäten Barcelona und Leipzig nicht nur die
DNA-Sequenz einer frühmenschlichen Genvariante analysiert, ww w. b r. d e / t h e m e n / w i s s e n / n e a n d e r t a l e r- h o m o -
Neandertaler,
sondern auch das entsprechende Protein hergestellt und seine www.mpg.de/b331
sapiens- urmensch-102.html > Max-Planck-Gesellschaft,
Eigenschaften untersucht. Dabei fanden sie heraus, dass die Ak- DNA Sequenzing,
http://cbm.msoe.edu/scienceOlympiad/module2012/
tivität einer bestimmten Genvariante des Melanocortin-Rezeptors www.mpg.de/b332
dnaSequencingTools.html
bei zwei Neandertalern deutlich reduziert war. Genvarianten mit
einer ähnlich verringerten Aktivität sind auch beim modernen Video-Tipp
Video-Tipps
Max-Planck-Gesellschaft,
Menschen bekannt – mit sichtbaren Folgen: Sein Träger hat eine DerDer Neandertaler
Neandertaler in in uns,
uns – https://www.youtube.com/
www.mpg.de/b333 > YouTube
rote Haarfarbe. Die Paläogenetiker gehen daher davon aus, dass watch?v=WnPXZIfEuco
auch ein Teil der Neandertaler möglicherweise rote Haare besaß.
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