Wird die genetische Basis des Geistes entschlüsselt? • Alexander Markov • Science News zu "Elementen" • Genetik

Wird die genetische Basis des Geistes entschlüsselt?

Menschliche Schädel, Schimpansen, Orang-Utans und Makaken enthalten das Gehirn mit einem Gewicht von 1350, 400, 400 und 100 g. von Artikel zu Wissenschaft

Ein Vergleich der Genome von Menschen, Schimpansen und anderen Säugetieren erlaubt uns, mehr und mehr genetische Merkmale zu identifizieren, die uns von anderen Tieren unterscheiden. Die funktionelle Bedeutung der meisten identifizierten Unterschiede ist jedoch noch nicht erwiesen, und selbst einige fundierte Hypothesen können nur in wenigen Fällen aufgestellt werden. Hin und wieder tauchen in den Medien blitzende Schlagzeilen auf, die über die Entdeckung des nächsten "Schlüsselgens, das uns menschlich gemacht hat" berichten, den Ereignissen deutlich voraus sind.

Wie unterscheidet sich der Mensch von anderen Tieren? Diese Frage wird seit langem von Wissenschaftlern verfolgt. Obwohl sich die Ethologen und Zoopsychologen in den letzten Jahren bei der Entdeckung vieler Merkmale des Denkens und Verhaltens, die bisher als rein menschlich betrachtet wurden, übertroffen haben (siehe die Auswahl der unten stehenden Links), gibt es sicherlich einige Unterschiede. Lassen Sie nicht qualitativ, aber zumindest quantitativ. Am Ende sind wir schlauer! Unser Gehirn ist dreimal größer als das Gehirn von Schimpansen, und das bedeutet etwas.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass Genetik, die das menschliche Genom untersuchen, darum kämpft, die genetischen Merkmale zu finden, die zu einer Zunahme des Gehirns und möglicherweise zu seiner effizienteren Arbeit führten.Besondere Hoffnungen werden auf den Vergleich des menschlichen Genoms mit dem Schimpansengenom gelegt. Dies erlaubt uns, jene 98% des Genoms, die in unserer Spezies identisch sind, sofort von der Betrachtung auszuschließen. Irgendwo in den verbleibenden zwei Prozent ist das Geheimnis der menschlichen Einzigartigkeit verschlüsselt. Es bleibt genau zu verstehen, wo und wie.

Der Erfolg dieser Studien, das Publikum beobachtet mit unermüdlichem Interesse. In den Massenmedien blinken immer wieder grelle Schlagzeilen: "Ein Gen wurde gefunden, das einem Mann ein großes Gehirn gab", "Ein einzelnes Gen hat uns zum Menschen gemacht", "Ein Schlüsselgen wurde gefunden, das einen Affen und einen Mann unterscheidet" Die journalistische Nacherzählung der Entdeckungen von Genetikern erweist sich manchmal als etwas überbewertet und nicht ganz richtig interpretiert.

Redaktionsausschuss WissenschaftOffensichtlich betrachtete sie die Situation als zu vernachlässigt, in deren Zusammenhang in der letzten Ausgabe der Zeitschrift ein großer populärer Bericht veröffentlicht wurde, in dem die Journalisten auf ihre Fehler hingewiesen wurden und gleichzeitig die Zukunftsaussichten für die Suche nach "Menschheitsgenen" zusammenfassten.

Was heute wirklich gelungen ist, über die Veränderungen in unserem Genom nachzudenkenWie haben sich die Entwicklungswege von Menschen und Schimpansen über 6 Millionen Jahre entwickelt?

1. Veränderungen in Proteinen

Jene Teile des Genoms, die für Proteine ​​kodieren, haben sich sehr wenig verändert. Die Unterschiede in den Aminosäuresequenzen von Proteinen bei Menschen und Schimpansen sind signifikant geringer als 1%, und von diesen wenigen Unterschieden haben die meisten keine funktionelle Signifikanz, oder dieser Wert bleibt unbekannt. Nur in einigen Fällen konnten fundierte Hypothesen über die mögliche funktionelle Rolle dieser Veränderungen aufgestellt werden. Zum Beispiel das menschliche Protein, das vom Genom kodiert wird FOXP2, unterscheidet sich vom Schimpansenanalog durch zwei Aminosäuren (was ziemlich viel ist), und es ist bekannt, dass Mutationen im Gen vorkommen FOXP2 kann zu schweren Sprachstörungen führen. Dies legt nahe, dass der Ersatz von zwei Aminosäuren irgendwie mit der Entwicklung der Fähigkeit verbunden ist, artikulierte Laute zu artikulieren (siehe Vernes et al., 2006).

Es gibt jedoch keinen Grund zu telefonieren FOXP2 "das Genom der Rede" und behaupten, dass er es war, der uns zu sprechenden Wesen machte. Die Funktion dieses Proteins ist allgemein unbekannt. Es konnte nur festgestellt werden, dass es sich um einen Transkriptionsfaktor – einen Repressor – handelt. Es reduziert die Aktivität einiger anderer Gene.Was genau – ist unbekannt. Aber kürzlich wurde gezeigt, dass die Aktivität des Gens selbst FOXP2 Bei Singvögeln fallen sie während des Singens dramatisch ab und es ist in diesem Teil des Gehirns, der für das Singen verantwortlich ist (siehe Teramitsu, White, 2006). Was das alles bedeutet, Genetik hat eine lange Zeit, um herauszufinden.

Zusätzlich zur Untersuchung einzelner Gene und Proteine, wie im obigen Beispiel, verwenden Genetik häufig einen globaleren Ansatz, indem sie gleichzeitig große Gruppen von Genen analysieren, die durch eine gemeinsame Eigenschaft vereint sind. Zum Beispiel vergleichen sie menschliche und Schimpansen-Varianten von Genen, die auf die eine oder andere Weise mit der Onkologie verwandt sind (siehe Warum Schimpansen keinen Krebs bekommen, Elemente, 8. Februar 2006). In ähnlicher Weise wurden Gene im Zusammenhang mit der Entwicklung des Gehirns verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Entwicklung dieser Gene bei Primaten insgesamt wesentlich schneller abläuft als beispielsweise bei Nagetieren.

Solche Studien offenbaren sofort mehrere hundert genetische Unterschiede zwischen einer Person und ihren nächsten Verwandten. Besonders "vielversprechend" sind solche Gene, in denen Spuren direkter Selektionswirkung nachgewiesen werden können. Solche Spuren weisen darauf hin, dass die Veränderungen in diesem Gen für unsere Vorfahren sehr wichtig waren, ihr Überleben beeinflussten und durch Selektion unterstützt wurden.Es wird angenommen, dass ein zuverlässiger Hinweis auf die Selektionswirkung ein erhöhter Anteil an "signifikanten" Nucleotidsubstitutionen in Bezug auf "nicht signifikant" ist (signifikante Nucleotidsubstitutionen sind solche, die zum Ersatz der Aminosäure im codierten Protein führen).

Die biologische Bedeutung der gefundenen Unterschiede aufzudecken, ist eine separate, sehr komplexe Aufgabe, deren Lösung in der Regel "bis später" aufgeschoben wird. Wenn es später kommt, ist es schwer zu sagen. Jetzt sind alle zu sehr an großangelegten "Screenings" interessiert, bei denen die genetischen Unterschiede eines Menschen von einem Schimpansen zu Hunderten erfasst, aber nicht verstanden, sondern nur ungefähr nach dem Grad der "Perspektivität" sortiert werden.

Zu den "besonders vielversprechenden" Genen zählen auf diese Weise ASPM und Mikrozephalin. In ihnen finden sich deutliche Spuren der Selektion, und ihr Zusammenhang mit der Entwicklung des Gehirns wird dadurch bestätigt, dass Mutationen in ihnen zur Mikrozephalie führen. Es wurde gezeigt, dass ASPM-Protein die Transformation von embryonalen neuroepithelialen Stammzellen in Neuronen verlangsamt. Mit anderen Worten, die Zellen – die Vorläufer von Neuronen in der Gegenwart von ASPM – haben Zeit, sich mehr zu teilen, bevor sie sich in Neuronen verwandeln, die sich nicht mehr teilen können.

2. Änderungen der regulatorischen RNA

Ein anderes Verfahren zur Suche nach „aussichtsreiche“ Bereiche des menschlichen Genoms basiert auf der Identifizierung von Regionen der DNA, die Schimpansen und andere Tiere, die einander ähnlich sind, und ein Mann sind sehr unterschiedlich. Auf diese Weise wurde es 49 Stellen des Genoms ergibt, in dem unsere Vorfahren nach Entwicklungslinien von Schimpansen werden getrennt dramatisch verändert und Menschen (Pollard et al., 2006).

Versuche, an diesen 49 Stellen etwas Sinnvolles zu finden, führten zur Entdeckung des Gens HAR1F. Dieses Gen kodiert für ein Protein nicht, und eine kleine regulatorische RNA, die im Gehirn des Embryos zu der Zeit, wenn die Gelege der Hirnrinde (die siebte bis neunzehnte Woche) aktiv synthetisiert wird. Wie sich herausstellte, ist dieses Gen nicht nur bei allen Säugetieren, sondern auch bei Vögeln. Wie auch immer HAR1F 18 unterscheidet sich von shimpanzinogo und shimpanziny von Huhn – nur zwei. Es bleibt nur zu verstehen, welche Gene diese kleine regulatorische RNA reguliert, wie sie dies tut und warum.

3. Veränderungen in der Genaktivität

Die Entwicklung von mehrzelligen Organismen im Allgemeinen und Primaten insbesondere erfolgt nicht so sehr aufgrund von Veränderungen in der Gen-Struktur, sondern aufgrund von Änderungen in ihrer Tätigkeit.Eine kleine Veränderung in den oberen Stockwerken hierarchisch organisierter genregulatorischer Schaltkreise kann zu den radikalsten Veränderungen der Morphologie führen. Die Anzahl der modifizierten Nukleotide im Genom kann sehr gering sein.

Die Genaktivität wird auf viele Arten reguliert, aber die universellste in höheren Organismen ist die Regulation durch spezielle Proteine ​​- Transkriptionsfaktoren (TF). Diese Proteine ​​finden spezifische sehr kurze Nukleotidsequenzen (TF-Bindungsstellen oder Enhancer), die üblicherweise vor dem Start regulierter Gene (in der sogenannten regulatorischen Region) lokalisiert sind, an dieser Stelle an DNA binden und entweder das Gen unterdrücken oder aktivieren. Der gleiche TF kann viele Gene regulieren. Die Gene, die TF kodieren, werden wiederum von anderen TFs reguliert, und so weiter – in mehreren Stockwerken. Es ist klar, dass die Änderung von nur einem oder zwei Nukleotiden in der regulatorischen oder codierenden Region eines TF-Gens mit hohem Niveau sehr weitreichende Konsequenzen haben kann. Es ist sehr schwierig, solche genetischen Veränderungen zu "fangen", aber es ist leicht, das Ergebnis zu bemerken: eine Veränderung der Aktivität verschiedener Gene.

Über die Methodik solcher Studien und deren Ergebnisse sind bereits "Elemente" geschrieben worden (siehe. Die menschliche Evolution wurde von einer Veränderung der Aktivität der Genregulatoren begleitet, 13. März 2006). Es stellte sich heraus, dass unter den Genen, deren Aktivität sich im Vergleich zu Schimpansen dramatisch verändert hat, viele Transkriptionsfaktoren vorhanden sind. Dies deutet auf einige signifikante Veränderungen in den oberen Ebenen der Genregulationsnetzwerke hin. Darüber hinaus zeigte sich, dass besonders starke Veränderungen in der Aktivität von Genen im Menschen im Vergleich zu Schimpansen in Gehirnzellen beobachtet werden. Wenn Schimpansen auf dieselbe Weise mit anderen Primaten verglichen wurden, war das Bild anders: Die Aktivität von Genen im Gehirn unterschied sich nicht mehr in verschiedenen Affen als in anderen Organen. Es ist merkwürdig, dass fast alle Gene, deren Aktivität in Gehirnzellen bei Menschen und Schimpansen stark variiert, beim Menschen aktiver sind. Was würde es bedeuten? Niemand weiß es noch.

4. Verdoppelung der Gene

Die Genaktivität kann sich im Laufe der Evolution nicht nur unter dem Einfluss verschiedener Regulatoren – TF oder regulatorische RNA -, sondern auch als Folge von Genduplikation verändern. Bei sonst gleichen Bedingungen produzieren zwei identische Gene mehr Produkt (dh Messenger-RNA, die dann in Protein übersetzt wird) als eines.

Die Duplikation von Genen sowie deren Verlust sind ein sehr häufiges Phänomen in der Evolution. Mindestens 134 Genduplikationen traten in der menschlichen Evolutionslinie auf (nach ihrer Isolierung vor 6 Millionen Jahren).

Nicht nur die Gene verdoppeln sich, sondern alles, was zwischen ihnen ist – alle Arten von nicht-kodierenden Regionen der DNA, deren Funktion in den meisten Fällen unbekannt ist. Manchmal gab es eine Verdopplung einzelner Genfragmente.

Manche Gene werden mehrfach dupliziert. Zum Beispiel das Gen MGC8902 beim Menschen ist in 49 Kopien vorhanden (bei Schimpansen 10, bei Makaken 4). Die Funktion des Gens ist wie immer unbekannt, aber es zeigt Spuren der Selektion und arbeitet aktiv in Gehirnzellen (Popesco et al., 2006).

5. Neue Gene?

Die Verdoppelung von Genen wird oft der erste Schritt zur Entstehung grundlegend neuer Gene. Eine der beiden Kopien des Gens, die sich in einer anderen "Umgebung" befinden, können beginnen, anders reguliert zu werden, in anderen Geweben oder in anderen Entwicklungsstadien des Organismus zu arbeiten und am Ende eine neue Funktion und Struktur zu erlangen. Aber es ist ein langer Weg. Inwieweit es in der Evolution des Menschen umgesetzt wurde, ist noch nicht wirklich bekannt.

Neue Gene können schneller entstehen – durch das Mischen von Teilen bestehender Gene. Ein solcher Fall ist bei einer Person registriert. Gen SIGLEC-11 vor etwa 15 Millionen Jahren, noch vor der Divergenz der Linien von Menschen und Schimpansen. Seine zweite Kopie schaltete irgendwann aus, hörte auf zu arbeiten, und Mutationen sammelten sich darin. Bei Schimpansen blieb diese behinderte Kopie unbeantwortet und beim Menschen ersetzte ihr Fragment den Teil des ursprünglichen Gens. SIGLEC-11. Das Ergebnis war ein fast vollständig neues, rein menschliches Gen. Es kodiert für ein Rezeptorprotein, das zur Immunglobulin-Superfamilie gehört und auf den Membranen von Lymphozyten und einigen Gehirnzellen vorhanden ist. Was es im Gehirn tut, ist nicht klar (Angata et al., 2006).

Die Genetik beschäftigt sich heute hauptsächlich mit vorbereitenden Arbeiten: Sie führen großflächige genomische "Scans" durch und bilden lange Listen von "Kandidatengenen". Bis jetzt kann niemand sagen, welcher von ihnen sich als Schlüssel herausstellen und die Einzigartigkeit des Menschen definieren wird. Einigen Forschern zufolge wird diese Phase erst in zwei bis drei Jahren abgeschlossen sein. Zu diesem Zeitpunkt werden die Kandidatenlisten bereits ausreichend vollständig (und sorgfältig gefiltert) sein, so dass wir beginnen können, ernsthaft nach den wahren "Genen der Menschheit" unter ihnen zu suchen und ihre funktionale und evolutionäre Rolle zu entschlüsseln.

Heute ist einer der am besten entwickelten Kandidaten das Gen Prodynorphin (PDYN), in deren regulatorischen Bereich Veränderungen stattgefunden haben, deren Folgen Veränderungen in der emotionalen Regulation des menschlichen Verhaltens sein könnten (siehe Hat Endorphinen uns menschlich gemacht?, Elemente, 29. November 2005).

Quellen: Elizabeth Pennisi. Mining die Moleküle, die unseren Verstand gemacht haben // Wissenschaft. 2006. V. 313. P. 1908-1911; sowie Artikel, auf die im Text Bezug genommen wird.

Siehe auch:
Haben Endorphine uns menschlich gemacht? ("Die Elemente", 29. November 2005).
Die menschliche Evolution wurde von einer Veränderung der Aktivität von Genregulatoren begleitet (Elements, 13. März 2006).
"Stille" Gene erzählen von der menschlichen Evolution (Radio Liberty, 26.02.2006).
Warum Schimpansen keinen Krebs bekommen (Elemente), 8. Februar 2006

Verweise auf Studien, die zeigen, dass viele Merkmale des Verhaltens und der Psychologie, die für den Menschen einzigartig sind, auch für Tiere charakteristisch sind:
Es gibt keinen qualitativen Unterschied zwischen dem Denken von Mensch und Tier (Radio Liberty, 24. April 2006).
Mäuse fühlen den Schmerz eines anderen ("Elements", 03.07.2006) – Empathie.
Der Einsatz von Werkzeugen durch Tiere weist nicht immer auf einen großen Verstand hin (Elements, 29. März 2006). – Herstellung und Verwendung von Werkzeugen.
Affen denken über die Zukunft nach ("Elemente", 29.05.06) – Planung.
Affen äußern Sätze aus zwei Wörtern ("Elements", 21.05.2006); Starlings verstehen Grammatik (Radio Liberty, 28.04.2006) – Syntax.
Ist der Krieg eine natürliche Manifestation des Kollektivismus? ("Elements", 17.05.2006) – intertribal wars.
Schimpansen sind uneigennützige gegenseitige Hilfe ("Elemente", 13. März 2006) – desinteressierte gegenseitige Hilfe.
Tiere können logisch denken ("Elemente", 26.02.2006) – Logik und die Fähigkeit, einen kausalen Zusammenhang von einem Zufall zu unterscheiden.

Alexander Markow


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