Hirn-Gen steht an erster Stelle bei der Entstehung des Menschen

Warum haben Menschen so große Gehirne? Dieses evolutionäre Rätsel beschäftigt Wissenschaftler schon seit langem, aber einige Forscher nutzen die Genetik, insbesondere jene Gene, die nur beim Homo sapiens zu finden sind, um eine Antwort zu finden.

ARHGAP11B, ein Gen, das nur beim Menschen vorkommt, ist bekannt für seine Rolle bei der Vergrößerung des Neokortex, des Teils des Gehirns, der für höhere kognitive Funktionen wie Sprache und Planung zuständig ist. In Experimenten, die in einer neuen, heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie beschrieben werden, setzten Forscher das Gen in die Föten von Marmosetten ein, die wie der Mensch zu den Primaten gehören, das Gen aber nicht tragen. Das Team stellte fest, dass nach 101 Tagen die Neocortices der sich entwickelnden Gehirne der Affen größer waren und mehr Falten im Gewebe aufwiesen als normale Affenföten ohne das Gen.

Mehr Falten in diesem Teil des Gehirns zu haben, ist wichtig, weil diese Falten die verfügbare Oberfläche für Gehirnzellen oder Neuronen vergrößern, ohne das Gehirn zu groß für den Schädel zu machen. Der Nachweis, dass das menschliche Gen einen ähnlichen Zweck im Gehirn eines anderen Primaten erfüllt, bietet neue Erkenntnisse darüber, wie sich der Mensch entwickelt hat, und könnte den Weg für künftige Behandlungen von Hirnerkrankungen weisen.

Das Gehirn, amplifiziert

Das ARHGAP11B-Gen tauchte vor etwa 5 Millionen Jahren auf, nicht lange nach der evolutionären Trennung zwischen Schimpansen- und Menschenvorfahren. Es entstand durch Mutation, als ein anderes Gen, ARHGAP11A, kopiert oder dupliziert wurde. Die 5 Millionen Jahre alte Version von ARHGAP11B, die so genannte „ancestral B“-Version, ist jedoch nicht diejenige, die der Mensch heute hat. Wissenschaftler gehen davon aus, dass eine andere Mutation von ARHGAP11B bei den menschlichen Vorfahren vor 1,5 Millionen bis 500.000 Jahren auftrat, wodurch das humanspezifische Gen entstand, das die Forscher in ihrer jüngsten Studie verwendeten.

„Diese humanspezifische Sequenz ist absolut notwendig für die Fähigkeit des Gens, die relevanten Hirnstammzellen in der Entwicklung zu verstärken“, sagt Wieland Huttner vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie, einer der Autoren der Studie.

Vorangegangene Studien zeigten ähnliche Effekte bei Mäusen und Frettchen, die mit der „neuen B“-Version des Gens verändert wurden. Die Verwendung dieser Tiermodelle bedeutete jedoch, dass das Gen nicht unbedingt in der gleichen Weise wie beim Menschen exprimiert wurde. Studienautor Michael Heide, ebenfalls vom Max-Planck-Institut, sagt, dass das Team einen Modellorganismus untersuchen wollte, der eng mit dem Menschen verwandt ist, und die beiden praktischsten Optionen waren das Marmoset und der Makake.

„Wir dachten, dass das Marmoset das bessere Modell wäre, weil der Neokortex des Makaken viele Eigenschaften mit unserem großen und gefalteten Neokortex gemeinsam hat. Das Seidenäffchen ist jedoch glatt und sehr klein.“ Daher wären alle Veränderungen der Größe und Form des Neokortex des Seidenaffen leicht zu erkennen.

Um das Gen in Affenembryonen einzuführen, verwendeten die Forscher ein „Lentivirus“, einen Virusträger, der sich nicht replizieren kann. Das Lentivirus enthielt ARHGAP11B sowie einen Proteinmarker, mit dem die Forscher feststellen konnten, wo das Gen exprimiert wurde. Sie fügten ein Promotor-Gen hinzu, also eine DNA-Sequenz, die die Expression bestimmter Gene reguliert.

Debra Silver, Forscherin am Duke University Institute for Brain Sciences, sagt, dass die Methoden der Forscher in dieser Studie, die gegenüber denen bei Mäusen und Frettchen verbessert wurden, der Aussagekraft der Ergebnisse viel Gewicht verleihen. „Eine der Herausforderungen besteht darin, dass man abnorm hohe Werte haben kann. Das ist so, als würde man einen Mack-Truck zum Fahren nehmen, im Gegensatz zu einem subtileren Toyota. Die Idee ist, dass sie damit versuchen, näher an das heranzukommen, was normalerweise im menschlichen Gehirn exprimiert wird.“

Darüber hinaus, sagt Silver, hat die Studie gezeigt, dass ein vorherrschender Effekt des Gens, zusätzlich zur Erhöhung der Größe und Anzahl der Falten im Neokortex, die Produktion bestimmter Neuronen kontrolliert, die sich später entwickeln und für die Verarbeitung höherer Ordnung wichtiger sind.

Megan Dennis, die am MIND Institute der University of California, Davis, die Genetik des menschlichen Gehirns erforscht, aber nicht an der Studie beteiligt war, sagte, dass diese Forschung einen wichtigen Schritt erreicht hat, indem sie die Wirkung des Gens in einem Primaten nachgewiesen hat.

„Wir haben eine ganze Liste von Genen, von denen wir glauben, dass sie wichtig für das sind, was uns einzigartig menschlich macht, aber sehr selten haben wir definitiv gezeigt, dass sie tatsächlich dazu beitragen“, sagt Dennis. „Und ich muss sagen, dass eine Studie wie diese ARHGAP11B wirklich an die Spitze der Liste bringt, als ein Gen, das sehr wohl wichtig für die menschliche Gehirnentwicklung sein könnte.“

Was kommt noch

Da ARHGAP11B in eine Region des menschlichen Genoms fällt, von der bekannt ist, dass sie mit geistiger Behinderung, Schizophrenie und Epilepsie in Verbindung gebracht wird, könnte es auch für das Verständnis von Krankheiten wichtig sein, mehr über seine Funktionsweise zu erfahren. Zum Beispiel können menschliche Gehirne, die zu groß werden (makrozephal), unter einer Reihe von neurologischen und Verhaltensstörungen leiden, einschließlich Autismus.

Einzigartige menschliche Gene wie ARHGAP11B zu verstehen, könnte auch bei der Entwicklung neuer Therapien helfen. Die Autoren der Studie weisen darauf hin, dass dieses Gen das Potenzial hat, bei der Züchtung von Stammzellen nützlich zu sein, die bei der Behandlung von Krankheiten wie Parkinson helfen könnten, wo eindeutige Mutationen identifiziert wurden.

Aber die Idee, das Gen oder andere ähnliche Gene zu verwenden, um die grundlegende Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns zu verändern, wirft eine Reihe ethischer Bedenken auf, sowohl im Hinblick auf Tierversuchsmodelle als auch auf die Gentechnik.

„Man muss sehr vorsichtig sein“, sagt Huttner. „Wenn man genetische Manipulationen am Menschen vornimmt, darf man das nur tun, wenn es darum geht, eine Krankheit zu heilen, bei der eine abnormale Mutation vorliegt, und man sie in die identifizierte normale Sequenz zurückbringt. Nur dann. Aber der Versuch, den Menschen zu ‚verbessern‘, ist ausgeschlossen.“