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Optimierte Zellteilung brachte den Homo sapiens voran

Veränderte Aminosäuren sorgten für weniger Chromosomenfehler als beim Neandertaler

Metaphase
In der Metaphase der Zellteilung ordnet der Spindelapparat (grün) alle Chromosomen (blau) in der Zellmitte an – das ist wichtig für die korrekte Aufteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen. © Meletios Verras / Getty images

Entscheidender Vorteil? Der moderne Mensch war in einem wichtigen Detail gegenüber dem Neandertaler und anderen Frühmenschen optimiert: Seine Zellteilung erzeugte weniger Chromosomenfehler, wie Forschende herausgefunden haben. Demnach führten Änderungen in drei Proteinen zu einer präziseren Anordnung und Aufteilung der Chromosomen bei der Zellteilung. Dies wirkte sich vor allem bei der Hirnentwicklung des ungeborenen Kindes aus und könnte dem Homo sapiens kognitive Vorteile gebracht haben.

Warum setzte sich der Homo sapiens als einzige Menschenart durch? Welche Vorteile hatte er gegenüber dem Neandertaler und anderen Frühmenschenarten? Bisher sind diese Fragen erst zum Teil beantwortet. So gibt es erste genetische Hinweise darauf, dass unsere Vorfahren ein besser entwickeltes Kleinhirn besaßen und kreativer waren. Außerdem zeigen Genomvergleiche, dass der Homo sapiens mehrere Schübe genetischer Innovationen durchlief. Dabei erwarb er Mutationen, die rund 100 Aminosäuren gegenüber dem Neandertaler veränderten. Doch welche biologischen Folgen dies hatte, ist offen.

Drei Proteine im Vergleichstest

Jetzt gibt es eine erste Spur: Ein Forschungsteam hat drei Proteine näher untersucht, die zusammen sechs dieser veränderten Aminosäuren tragen. „Diese drei Proteine stechen heraus, weil sie Aminosäure-Änderungen tragen, die bei allen heutigen Menschen vorkommen, aber nicht bei Menschenaffen, Neandertalern oder Denisova-Menschen“, erklären Felipe Mora-Bermudez vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und seine Kollegen. „Jede funktionale Konsequenz dieses Aminosäure-Austauschs wäre demnach für einzigartig für den modernen Menschen.“

Bereits bekannt ist, dass alle drei Proteine eine wichtige Rolle bei der Zellteilung spielen: KIF18a ist ein Motorprotein, das die korrekte Positionierung der Chromosomen kurz vor ihrer Aufteilung auf die Tochterzellen sicherstellt. KNL1 gehört zum Spindelapparat und wird für die Anheftung der Mikrotubuli an das Chromosomenzentrum benötigt. SPAG5 ist für die Stabilisierung dieser Anheftung wichtig. Alle drei Proteine sind zudem bei der vorgeburtlichen Entwicklung des Neocortex besonders aktiv, dem evolutionär jüngsten Teil unserer Großhirnrinde.

Metaphase der Zellteilung verlängert

Doch was bewirken die sapiens-spezifischen Veränderungen in diesen drei Proteinen? Um dies zu untersuchen, änderten die Forschenden bei Mäuseembryos den Bauplan dieser drei Proteine. Im DNA-Code tauschen sie mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 die Genbuchstaben für die Aminosäuren in die menschliche Variante. Dann beobachteten die Forscher das Teilungsverhalten der Zellen im Neocortex der Tiere.

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Das Ergebnis: Die Mäusezellen mit der Menschenvariante verharrten länger in der Metaphase der Zellteilung – der Phase, in der die Chromosomen in der Mitte der Zelle aufgereiht werden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die korrekte Aufteilung der Chromosomen und geschieht, indem die Mikrotubuli des Spindelapparats am Zentrum jedes Chromosoms andocken und sie in die richtige Position bringen. Im Versuch dauerte die Metaphase bei normalen Mäusen rund 4,6 Minuten, bei den „vermenschlichten“ hingegen 5,8 Minuten. Bei diesen gab es auch mehr erfolgreiche Anheftungen des Spindelapparats an den Chromosomen.

„Ähnliches beobachtet man auch, wenn man die Zellteilung dieser neuronalen Vorläuferzellen zwischen modernen Menschen und Menschenaffen vergleicht“, berichten die Wissenschaftler. Die verlängerte Metaphase und bessere Anheftung der Spindeln ist demnach spezifisch für uns Menschen.

Zellteilung
Der Pfeil kennzeichnet ein Chromosom, das nicht von der Spindel erfasst und aufgereiht wurde. Bei der Zelltteilung könnte es daher zurückbleiben. © Felipe Mora-Bermúdez / MPI-CBG

Weniger „vergessene“ Chromosomen

Bestätigt wurde dies durch einen Versuch mit Hirn-Organoiden – aus menschlichen neuronalen Stammzellen gezüchteten Hirnvorstufen. Als das Forschungsteam bei einem Teil dieser Organoide die Neandertaler-Version der Proteine einbauten, zeigten sich auch dabei Unterschiede: Die Hirnzellen mit der Frühmenschen-Variante hatten eine kürzere Metaphase und weniger stabil an die Spindel gebundene Chromosomen.

Zudem gab es in diesen Zellen gut doppelt so viele Chromosomen, die am Ende dieser Teilungsphase noch „aus der Reihe tanzten“ und nicht korrekt in der Mitte aufgereiht lagen, wie das Team berichtet. Solche hinterherhinkenden Chromosomen sind eine häufige Quelle für eine fehlerhafte Aufteilung dieser Erbgutträger auf die Tochterzellen. „Und eine falsche Anzahl von Chromosomen zu haben, ist für eine Zelle meist keine gute Idee, wie man an der Trisomie 21 und Krebs sehen kann“, sagt Mora-Bermudez.

Vorteil für den Homo sapiens

Nach Ansicht der Wissenschaftler deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die untersuchten Aminosäure-Veränderungen unseren Vorfahren einen wichtigen Vorteil brachten. Denn sie reduzierten Fehler bei Zellteilung – vor allem während der Hirnentwicklung des Ungeborenen. „Sie führten zu einer erhöhten Präzision bei der Chromosomen-Aufteilung in den apikalen Vorläuferzellen des sich entwickelnden Neocortex“, schreiben Mora-Bermudez und seine Kollegen. „Das könnte signifikante Konsequenzen gehabt haben.“ Denn aus diesen apikalen Zellen gehen fast alle Hirnzellen des Neocortex hervor.

Mit anderen Worten: Bei Neandertalern, Denisova-Menschen und anderen frühen Menschenformen könnte die Hirnfunktion stärker durch solche Chromosomenfehler beeinträchtigt gewesen sein. Beim Homo sapiens hingegen war dies optimiert und könnte seinem Gehirn eine verbesserte Funktionalität verliehen haben. Um welche Funktionen es sich konkret handelt und wie sehr sich die von unseren Vorfahren erworbene Optimierung darauf auswirkt, müssen nun weitere Studien zeigen. (Science Advances, 2022; doi: 10.1126/sciadv.abn7702)

Quelle: Science Advances, Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

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