Die Suche nach den genetischen Grundlagen der evolutionären

Tautz, Diethard | Die Suche nach den genetischen Grundlagen der evolutionären ...
Tätigkeitsbericht 2008
Entwicklungs- und Evolutionsbiologie/Genetik
Die Suche nach den genetischen Grundlagen der evolutionären
Anpassung
Tautz, Diethard;
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Abteilung - Evolutionsgenetik (D. Tautz)
Korrespondierender Autor
Tautz, Diethard,
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Systematische Analysen, die die molekularen Mechanismen evolutionärer Anpassungen aufdecken
können, sind erst seit kurzem möglich. Wissenschaftler am MPI für Evolutionsbiologie fokussieren
solche Analysen auf natürliche Populationen der Hausmaus (Mus musculus). Dabei wird das Genom
nach Signaturen durchsucht, die auf neue Anpassungen hindeuten. Erste Ergebnisse zeigen, dass diese
viel häufiger gefunden werden können als bisher vermutet. Es besteht damit die Hoffnung, dass Experimente möglich werden, in denen natürliche Evolution von Mauspopulationen in Echtzeit beobachtet
werden kann.
Abstract
Systematic studies to detect the molecular basis of evolutionary adaptations have only recently become
possible. Scientists at the MPI for Evolutionary Biology focus on natural populations of the house
mouse (Mus musculus). This involves genome based searches for signatures of recent adaptations. The
first results indicate that such signatures occur much more often than it was considered possible so
far. This opens up the option to devise experiments that will eventually allow to study the evolution of
mouse populations in real time.
Evolutionäre Anpassungen
Alle Organismen sind an ihren Lebensraum angepasst, und diese Anpassungen – oder Adaptationen
– sind im Laufe der Evolution entstanden. Darwin und Wallace haben vor 150 Jahren vorgeschlagen,
dass die natürliche Selektion der Mechanismus ist, der zu diesen Anpassungen führt. Sie nahmen an,
dass es in jeder Population eine natürliche Variation für verschiedene Merkmale gibt und dass die
Individuen, deren Merkmale besser zu einer gegebenen Umweltsituation passen, im Durchschnitt eine
höhere Anzahl an Nachkommen in der nächsten Generation haben werden. Somit vererbt sich ein vorteilhaftes Merkmal mit einer höheren Wahrscheinlichkeit, was letztlich zu einer optimalen Anpassung
führt.
Dass dieser Mechanismus tatsächlich im Prinzip funktioniert, ist durch viele Beobachtungen und Experimente nachgewiesen worden. Insbesondere wissen wir heute sehr gut, wie die natürliche Variation
entsteht, nämlich durch zufällige Mutationen in der Erbsubstanz (DNA). Allerdings wissen wir noch
so gut wie gar nichts darüber, welche Gene an Adaptationsprozessen beteiligt sind. Die gesamte molekulargenetische Forschung der letzten Jahrzehnte hat sich auf die Aufklärung von grundlegenden
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Prozessen des Zellstoffwechsels, auf die embryonale Frühentwicklung und die Aufklärung von genetischen Krankheiten konzentriert. Die evolutionsbiologische Forschung hat sich hingegen hauptsächlich populationsdynamischen Fragen zugewandt und die Aufklärung genereller Mechanismen
molekularer Evolution betrieben. Erst auf dieser Basis ist es jetzt möglich geworden, eine der letzten
großen ungelösten Fragen der Biologie anzugehen, nämlich die genetischen Grundlagen evolutionärer
Anpassungen zu untersuchen.
Die Probleme bisher
Es gibt gleich mehrere große Hindernisse, die es schwer gemacht haben, sich dieser Frage anzunehmen. Zum einen ist zu erwarten, dass Anpassungen durch komplexes Zusammenspiel verschiedener
genetischer Faktoren entstehen. Zum anderen ist die natürliche Variation für diese Faktoren in einer
normalen Population vergleichsweise gering, da ja jede heute lebende Population in der Vergangenheit
bereits durch viele Anpassungsprozesse gegangen ist. Tatsächlich ist es eine sehr wichtige Erkenntnis
der Evolutionstheorie, dass neue Anpassungen in der Regel nur in kleinen Schritten erfolgen können.
Lange dachte man zudem auch, dass Anpassungen nur über größere Zeiträume möglich sind, die außerhalb der direkten Beobachtungsmöglichkeiten eines Forschers liegen. Diese Ansicht wird allerdings
zunehmend revidiert. Dennoch bleibt es sehr schwer, typische genetische Experimente zur Untersuchung von Anpassungsmerkmalen zu machen, da sie in der jeweils folgenden Generation nur einen
kleinen Effekt haben und sich erst über viele Generationen ausprägen. Diese Probleme bringen es mit
sich, dass das Instrumentarium der bisherigen genetischen Forschung, wie etwa künstliche Mutagenese
und Kartierung von Genen, nicht ohne weiteres greift.
Um genetische Forschung betreiben zu können, muss man Techniken haben, mit denen man die Gene
identifizieren kann, die an den Prozessen beteiligt sind. Im Falle von Adaptationen ist es aber schon
schwer, überhaupt den Prozess einzugrenzen, den man untersuchen will. Denn für eine gegebene
Population weiß man zunächst mal nicht, ob sie jetzt an spezielle Futterbedingungen angepasst ist oder
erfolgreich bei der Abwehr von Parasiten ist oder besonders gut Brutstätten nutzen kann und dergleichen mehr. Man kann natürlich versuchen, jeden einzelnen dieser Aspekte gezielt zu untersuchen,
aber um einen systematischen Überblick zu bekommen, muss man letztlich Wege finden, die zunächst
unabhängig von den Merkmalsausprägungen sind.
Neue experimentelle Ansätze
Dank der Fortschritte in der Genomforschung ist es heute möglich, ganze Genome (also die Gesamtheit der Erbinformation in der DNA eines Organismus) zu durchmustern und nach molekularen
Unterschieden zwischen Populationen zu suchen. Allerdings ist nicht jeder molekulare Unterschied
auch einem Unterschied in der Merkmalsausprägung gleichzusetzen. Im Gegenteil, die Mehrzahl
der Unterschiede auf der DNA-Ebene sind als neutral einzustufen, das heißt ohne Konsequenzen für
Adaptationen. Die Regeln, nach denen solche neutralen Mutationen evolvieren, haben Populationsgenetiker, und insbesondere Motoo Kimura, in der Mitte des letzten Jahrhunderts erarbeitet und damit
die entscheidende Basis für das Verständnis der molekularen Evolution geschaffen. Wenn man die
Selektionstheorie und die neutrale Evolutionstheorie mit Meilensteinen in der Physik vergleichen will,
dann entspricht erstere der Mechanik und die zweite der Quantenphysik. Auf der Basis der neutralen
Evolutionstheorie ist es möglich, quantitativ statistische Aussagen zu Evolutionsprozessen zu machen,
die experimentell überprüfbar sind. Dazu gehört auch die Aussage, dass Selektionsereignisse molekulare Signaturen in Populationen hinterlassen, sogenannte selective sweeps, die man aus Genomvergleichen herauslesen kann.
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Was ist ein selective sweep?
Neutrale Mutationen sammeln sich gleichmäßig über alle Chromosomenregionen an. In einer Population besitzt dann mit der Zeit jedes Individuum an einer gegebenen Position mit einer bestimmten
Wahrscheinlichkeit eine solche Mutation, wobei die Wahrscheinlichkeiten über die Formeln der neutralen Evolutionstheorie errechnet werden können. Da die Chromosomenregionen in jeder Generation
neu rekombiniert werden, besitzt jedes Individuum letztlich eine einmalige Kombination solcher Mutationen (Polymorphismen). Diesen Umstand nutzt man zum Beispiel aus, um mittels des genetischen
Fingerabdrucks die Identität von Individuen zu bestimmen.
Wenn aber eine der Mutationen nicht neutral ist, sondern beispielsweise wichtig für die Abwehr eines
Parasiten, dann erhält diese einen Selektionsvorteil, und sie reichert sich in der Population an. Da diese
Mutation aber im Kontext eines Chromosoms steht, kommt es letztlich zur Anreicherung eines ganzen
Chromosomenabschnitts, inklusive der neutralen Mutationen, die auf beiden Seiten der vorteilhaften
Mutation sitzen. Diese Region verliert damit ihren Polymorphismus, das heißt die verschiedenen Varianten in den Individuen gehen verloren. Im Englischen wird das bildhaft als „auskehren“ oder „sweep“
bezeichnet. Da dieser sweep durch positive Selektion bedingt ist, nennt man ihn selective sweep (Abb.
1). Neben dieser positiven Selektion gibt es auch negative Selektion, nämlich wenn eine Mutation von
Nachteil ist, zum Beispiel wenn das Protein, das von dem Gen gebildet wird, nicht mehr funktional
ist. Solche Mutationen gehen auf Dauer in der Population einfach verloren, das heißt sie lösen keinen
selective sweep aus.
Abb. 1: Schema eines „selective sweep“. Die waagerechten Linien symbolisieren homologe Chromosomenregionen in einer Population. Mutationen die darin vorkommen, werden in der Regel neutral sein, d.h. die Chromosomen – und damit auch die Individuen – unterscheiden sich voneinander. Eine vorteilhafte Mutation setzt sich
aber relativ schnell in der Population durch, sodass sich alle Individuen an dieser Stelle gleichen. Je nachdem,
wie hoch die Rekombinationsrate zwischen den Chromosomen ist, werden in der Umgebung der vorteilhaften
Mutation weitere neutrale Mutationen fixiert. Solche Regionen ergeben eine typische Signatur, die man durch
systematische Genomanalysen entdecken kann.
Urheber: Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie/Tautz
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Anwendung in Mauspopulationen
Mit der systematischen Suche nach selective sweeps hat man ein Instrument an der Hand, mit dem
man Gene identifizieren kann, die in jüngerer Zeit an Adaptationen beteiligt waren. Trotz der Fortschritte in der Genomik ist das aber immer noch ein aufwändiger Prozess, da man vorzugsweise nur
mit besonders polymorphen Markern (in unserem Fall Mikrosatelliten) arbeiten sollte und jeweils
viele Individuen aus einer Reihe verschiedener Populationen untersuchen sollte. In der Arbeitsgruppe von Diethard Tautz dient die Hausmaus mit ihren beiden Sub-Spezies Mus musculus domesticus
(westliche Hausmaus) und Mus musculus musculus (östliche Hausmaus) als Modell für Adaptationen.
Populationen dieser Sub-Spezies haben sich in den letzten Jahrtausenden in die verschiedensten Regionen auf der ganzen Welt ausgebreitet und haben damit viele lokale Anpassungen durchlaufen. Sie
kommen heute von der Tundra über Wüstenregionen bis hin zu antarktischen Inseln vor. Um möglichst repräsentative Proben aus einer Population zu bekommen, fangen die Forscher jeweils circa 50
nicht-verwandte Mäuse aus einem lokalen Gebiet. Die DNA-Proben dieser Mäuse werden dann für die
Untersuchungen verwendet. Bisher haben sie etwa 10 Prozent des gesamten Genoms in Populationen
aus Frankreich und Deutschland sowie aus Tschechien und Kazhakstan nach selective sweeps durchsucht [1] und dabei eine Reihe von Kandidaten-Genen gefunden, die jetzt weiter funktional analysiert
werden. Auf der Basis dieser Daten können die Wissenschaftler aber schon einmal eine wichtige Abschätzung machen: Im Durchschnitt kommt es in einer Population mindestens alle 50 Generationen zu
einem neuen Anpassungsereignis, wahrscheinlich sogar noch öfter. [2] Diese Zahl liegt deutlich höher,
als es bisher vermutet wurde, und zeigt, dass Evolutionsprozesse doch in einem Zeitrahmen liegen
können, der der direkten Forschung zugänglich ist.
Ausblick
Mit der weiteren systematischen Suche nach Adaptations-relevanten Genregionen werden Tautz und
sein Team schon bald einen systematischen Überblick über die Gene haben, die in Mauspopulationen
wichtig sind. Parallel laufen ähnliche Arbeiten auch in anderen Laboren, wobei unter anderem auch
Populationen des Menschen untersucht werden (z. B. am MPI für evolutionäre Anthropologie in
Leipzig). Es wird dann möglich werden zu fragen, ob es bestimmte Genklassen gibt, die besonders oft
an Anpassungen beteiligt sind. Beispielsweise könnten besonders häufig Gene betroffen sein, die an
der Parasitenabwehr beteiligt sind oder bei der Erschließung neuer Lebensräume eine Rolle spielen. In
der Maus lassen sich die Funktionen solcher Gene dann gezielt untersuchen. Da die Wissenschaftler
für neue Genvarianten annehmen, dass sie jeweils nur geringe Effekte in einer gegebenen Generation
haben werden, sollen Experimentalräume entstehen, in denen Mauspopulationen über mehrere Generationen hinweg frei gehalten und dabei beobachtet werden können. So soll dann Evolution quasi in
Echtzeit gemessen werden (Abb. 2).
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Abb. 2: Blick in einen Experimentalraum, in dem Maus-Evolution in Echtzeit gemessen werden kann. Die Tiere
nutzen die roten Plastikzylinder, um darin ihr Nest zu bauen und um darum herum ihr Territorium zu etablieren.
Die beiden Teile des Raumes sind durch Löcher verbunden, sodass es potenziell zu Genfluss kommen kann. Die
Tiere verbleiben für mehrere Generationen in dem Raum und werden nur mit Wasser und Futter versorgt. Am
Ende des Experiments wird der relative Paarungserfolg der beiden Testpopulationen gemessen. Die Räume sind
darauf angelegt, dies auch unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen durchzuführen.
Urheber: Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie/Tautz
Literaturhinweise
[1] S. Ihle, I. Ravaoarimanana, M. Thomas, D. Tautz:
An analysis of signatures of selective sweeps in natural populations of the house mouse.
Molecular Biology and Evolution 23, 790-797 (2006).
[2] M. Teschke, O. Mukabayire, T. Wiehe, D. Tautz:
Identification of selective sweeps in closely related populations of the house mouse based on micro
satellite scans.
Genetics 180, 1537–1545 (2008).
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