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Die adaptive Evolution des
Transkriptionsfaktors FOXP2 als
mögliche Voraussetzung für die
Entstehung des menschlichen
Sprechens
Dominique Kaspar
Die adaptive Evolution des
Transkriptionsfaktors FOXP2 als
mögliche Voraussetzung für die
Entstehung des menschlichen
Sprechens
Dominique Kaspar
Gliederung

EXKURS: Adaptive Evolution?

EXKURS: Transkriptionsfaktor?

Was ist FOXP2?

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen

FOXP2 im Mausmodell

Quellen
EXKURS: Adaptive Evolution?

Motoo Kimura
„Evolutionary Rate at the Molecular Level“
Nature 217, 624 - 626 (17 Februar 1968)
EXKURS: Adaptive Evolution?

Fast alle evolutionären Veränderungen auf
molekularer Ebene der DNS basieren auf
genetischer Drift, nicht auf adaptiven
Vorteilen
EXKURS: Adaptive Evolution?


Fast alle evolutionären Veränderungen auf
molekularer Ebene der DNS basieren auf
genetischer Drift, nicht auf adaptiven
Vorteilen
„Neutralisten“ vs. „Selektionisten“
EXKURS: Adaptive Evolution?



Fast alle evolutionären Veränderungen auf
molekularer Ebene der DNS basieren auf
genetischer Drift, nicht auf adaptiven
Vorteilen
„Neutralisten“ vs. „Selektionisten“
Theorie ist kompatibel mit Darwin,
behauptet nur größere Rolle der
genetischen Drift auf molekularer Ebene
EXKURS: Adaptive Evolution?



Fast alle evolutionären Veränderungen auf
molekularer Ebene der DNS basieren auf
genetischer Drift, nicht auf adaptiven
Vorteilen
„Neutralisten“ vs. „Selektionisten“
Theorie ist kompatibel mit Darwin,
behauptet nur größere Rolle der
genetischen Drift auf molekularer Ebene
→ FOXP2 als seltene adaptive evolutionäre
Veränderung auf molekularer Ebene
EXKURS: Transkriptionsfaktor?

In Eukaryoten: Übersetzung der DNA in
RNA (= Bildung von Proteinen) durch RNAPolymerase
EXKURS: Transkriptionsfaktor?


In Eukaryoten: Übersetzung der DNA in
RNA (= Bildung von Proteinen) durch RNAPolymerase
RNA Polymerase benötigt zur Bindung an
die DNA spezifische Transkriptionsfaktoren,
d.h. Proteine, die die Bindung der RNAPolymerase an den Promoter des jeweiligen
Gens vermitteln
EXKURS: Transkriptionsfaktor?
→ insgesamt etwa 50 Proteine sind mit der RNA-Polymerase assoziiert
→ Proteinkomplex mit einem Molekulargewicht von über 3 Millionen Dalton
→ Bei der Bindung an den Promoter bedeckt der Initiationskomplex ca. 110
Nukleotidpaare der DNA und reicht ca. 30 Nukleotidpaare in das eigentliche
Gen hinein
EXKURS: Transkriptionsfaktor?
→ insgesamt etwa 50 Proteine sind mit der RNA-Polymerase assoziiert
→ Proteinkomplex mit einem Molekulargewicht von über 3 Millionen
→ Bei der Bindung an den Promoter bedeckt der Initiationskomplex ca. 110
Nukleotidpaare der DNA und reicht ca. 30 Nukleotidpaare in das eigentliche
Gen hinein
→ Wirkung über die Beeinflussung der Transkriptionsstärke
zahlreicher Gene
→ Veränderungen können sich über die Expression
unterschiedlicher Gene potenzieren
Was ist FOXP2?
Was ist FOXP2?
Was ist FOXP2?
→ 2 der 3 Aminosäure Substitutionen von der Maus hin zum
Menschen fanden nach der Abspaltung des Menschen und
des Schimpansen von ihrem gemeinsamen Vorfahren statt
Was ist FOXP2?

Bei Menschen führt eine Punktmutation in
FOXP2 zu schwerwiegenden Problemen
bei der Artikulation von Sprache (orofaciale
Bewegungen)
Was ist FOXP2?


Bei Menschen führt eine Punktmutation in
FOXP2 zu schwerwiegenden Problemen
bei der Artikulation von Sprache (orofaciale
Bewegungen)
Kognitive Leistungen sind weitgehend
unbeeinflusst, d.h. das Sprachverständnis
ist normal ausgebildet
Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen

Humanes FOXP2 ist nicht polymorph, d.h.
alle Menschen tragen die gleiche Variante
Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen

Humanes FOXP2 ist nicht polymorph, d.h.
alle Menschen tragen die gleiche Variante
→ Statistische Verfahren zeigen, dass eine neutrale genetische Drift als
Ursache extrem unwahrscheinlich ist (adaptive Evolution)
Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen

Humanes FOXP2 ist nicht polymorph, d.h.
alle Menschen tragen die gleiche Variante
→ Modellrechnungen für Beispielpopulationen bestimmen den Zeitpunkt der
Durchsetzung der humanen FOXP2 Variante auf die letzten 300 - 400.000
Jahre (Entstehung Homo sapiens)
Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen

aDNA Untersuchung von Knochen des
Neandertalers zeigt moderne FOXP2
Variante
Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen


aDNA Untersuchung von Knochen des
Neandertalers zeigt moderne FOXP2
Variante
3 mögliche Szenarien:
1) Genfluss Neandertaler ↔ Homo sapiens
2) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und
Homo sapiens; „selective sweep“ nach Abspaltung
3) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und
Homo sapiens; „selective sweep“ auf diesen Haplotyp
Humanes FOXP2 als rezente Mutation in
der Phylogenie des Menschen

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aDNA Untersuchung von Knochen des
Neandertalers zeigt moderne FOXP2
Variante
3 mögliche Szenarien:
1) Genfluss Neandertaler ↔ Homo sapiens
2) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und
Homo sapiens; „selective sweep“ nach Abspaltung
3) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und
Homo sapiens; „selective sweep“ auf diesen Haplotyp
→ 3. Szenario wird als wahrscheinlichste Erklärung angenommen, der
„selective sweep“ über den Haplotyp, der die moderne menschliche
Variante von FOXP2 trägt, fand also wahrscheinlich bereits vor ca.
300.000 – 400.000 Jahren statt
FOXP2 im Mausmodell

Das Experiment: Einführung der beiden
Aminosäure Substitutionen des humanen
FOXP2 in transgene Mäuse
vs.
FOXP2 im Mausmodell
FOXP2wt/ko
Tod 3-4 Wochen nach Geburt
Signifikant erhöhter
Dopaminspiegel im Gehirn
Signifikant verringerte LangzeitDepression (LTD)
Signifikante Verringerung der
synaptischen Plastizität im
Striatum
FOXP2hum/hum
gesund
Leicht verringerter
Dopaminspiegel
Signifikant erhöhte
Langzeit-Depression (LTD)
Signifikante Erhöhung der
synaptischen Plastizität im
Striatum
Physiologie
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Anatomie

Ethologie

Leicht verringerte Länge der
Dentriten
Erhöhte Anzahl von Fettzellen
Höhere Respirationsrate
Niedrigerer Puls
Erhöhte explorative Aktivität
Leicht vermindertes motorisches
Lernvermögen
Erhöhter Konsum von Futter

Signifikant erhöhte Länge
der Dentriten

Verringerte explorative
Aktivität

FOXP2 im Mausmodell
→ Veränderung der Dentriten in den Basalganglien (wt/wt vs. hum/hum)
→ Basalganglien: beidseitige subkortikale Komplexe, die für wichtige
Funktionen motorischer, kognitiver und limbischer Art bedeutsam sind
FOXP2 im Mausmodell
→ Ultraschall-Vokalisation ist bei FOXP2(hum/hum) Mäusen subtil
verändert: signifikant verschobene Modulation, niedrigere Minimum-,
Median- und Maximumfrequenz bei gleichbleibender Häufigkeit der
Rufe
FOXP2 im Mausmodell
→ Ultraschall-Vokalisation ist bei FOXP2(hum/hum) Mäusen subtil
verändert: signifikant verschobene Modulation, niedrigere Minimum-,
Median- und Maximumfrequenz bei gleichbleibender Häufigkeit der
Rufe
→ Zusammenhang mit der Evolution des menschlichen
Artikulationsvermögens?
Quellen

Enard et al., (2009) A Humanized Version of Foxp2 Affects Cortico-Basal Ganglia Circuits in Mice, Cell 137 issue 5

Enard et al., (2002) Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language, Nature 418

Krause et al., (2007) The derived FOXP2 variant of modern humans was shared with Neandertals, Current Biology 17
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Enard, Wolfgang (2011) FOXP2 and the role of cortico-basal ganglia circuits in speech and language evolution,
Current Opinion in Neurobiology 21 issue 3
FOXP2. (2012, January 31). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 16:53, February 4, 2012, from
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=FOXP2&oldid=474190965
Henning, Wolfgang (2002): Genetik: mit 72 Tabellen und 30 Technik-Boxen, 3. Aufl. Springer Lehrbuch 2002
Motoo Kimura. (2012, January 17). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 16:58, February 4, 2012, from
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Motoo_Kimura&oldid=471841474
Bildnachweis: S. 27 / 28: http://kasamaproject.org/2009/05/31/foxp2-human-speech-gene-changed-the-mousessqueak/, Retrieved 16:59, February 4, 2012
Bildnachweis: S. 18-20: http://biodevaneios.blogspot.com/2010/12/o-caso-foxp2.html, Retrieved 16:51, February 4,
2012
Bildnachweis: S. 24: http://www.2-0.scienceticker.info/wp-content/uploads/2009/02/stockxpert_labormaus_300.jpg,
Retrieved 16:50, February 4, 2012
Bildnachweis: S. 24:
http://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Apodemus_sylvaticus_bosmuis.jpg&oldid=45562524&uselang=d
e, Retrieved 16:43, February 4, 2012