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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 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 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 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
