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Neues aus der Werkstatt der Evolution

03.09.2008
Zellen können die Architektur ihres Erbgutes verändern

Was geschah in den Genen, um aus einfachen Lebewesen im Verlauf der Evolution immer komplexere Organismen - bis hin zum Menschen - werden zu lassen?

Sieben Jahre ist es her, als 2001 ein internationales Konsortium unter Beteiligung verschiedener, auch deutscher Labors vollendete, worauf alle gewartet hatten: Die vollständige Entschlüsselung des menschlichen Erbgutes (bekannt geworden als "Human Genome Project").

Mittlerweile wurde die Gesamtheit der Gene (das so genannte "Genom") vieler weiterer Arten analysiert, darunter das von einzelligen Lebewesen, von Würmern, Fliegen sowie einigen Fischen bis hin zu den Genen von Säugetieren wie jenen der Maus und verschiedener Affenarten. In einer diese Woche erscheinenden Publikation gibt der Freiburger Mediziner Prof. Joachim Bauer einen Überblick über -überwiegend aus US-Labors stammende- neueste Studien, die sich mit der Frage beschäftigen: Welcher genetischen Veränderungen bedurfte es, um -im Verlauf von mehreren hundert Millionen Jahren - aus niederen immer höher entwickelte Arten entstehen zu lassen?

Die jetzt von Bauer vorgelegte Übersicht bündelt wichtige Ergebnisse der vergleichenden Genomforschung der letzten Jahre zu einer Art "Geschichte der Evolution der Gene". Die zugrunde liegenden Studien waren bislang in Hunderten von Forschungsarbeiten in Dutzenden von Journalen verstreut und wurden -nicht zuletzt aus diesem Grunde- hierzulande bislang kaum rezipiert. Der Autor, Prof. Joachim Bauer, ist durch frühere eigene Arbeiten im Bereich der Genetik ausgewiesen. Er hat früher selbst jahrelang an Genen des Immunsystems und des Gehirns geforscht. Er war in seiner aktiven Labor-Forschungszeit Teilprojektleiter in drei Sonderforschungsbereichen der Deutschen Forschungsgemeinschaft, forschte längere Zeit auch in den USA und erhielt 1996 den renommierten Forschungspreis der Deutschen Gesellschaft für Biologische Psychiatrie.

Kurz vor dem 200. Geburtstag des Biologen Charles Darwin (am 12. Februar 2009) stehen zentrale Dogmen des großen Biologen auf dem Prüfstand. Während Darwins Abstammungslehre, die zur Ablösung des wissenschaftlich unbrauchbaren biblischen Weltentstehungsmodells führte, sich als unumstößlich richtig erwiesen hat, scheinen andere darwinistische Thesen möglicherweise nicht mehr haltbar zu sein. Einer der Glaubenssätze der Biologie seit Darwin war und ist, dass es rein zufallsbedingte Veränderungen der Gene gewesen seien, die - wenn sie sich als hinreichend lebenstüchtig erwiesen - aus bestehenden Arten immer wieder neue Spezies haben entstehen lassen. "Spätestens seit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms und kurz darauf auch dem der Maus wissen wir, dass das so nicht stimmt", so Bauer. "Das System der Gene gleicht einer Werkstatt, die mit genetischen Werkzeugen ausgestattet ist. Mit Hilfe dieser Werkzeuge kann der Organismus die Architektur seines Genoms selbst umbauen. Dieser Umbau erfolgt nach Regeln, die im biologischen System selbst begründet sind, ist also alles andere als ein reines Zufallsgeschehen".

Genetische Werkzeuge für den Umbau der genomischen Architektur

Um sich im Verlauf der Evolution selbst immer wieder umzubauen, hat sich das System der Gene genetischer Werkzeuge bedient. Diese werden als "Transposable Elements" oder "Transpositionselemente" (TEs) bezeichnet. Sie gerieten erst in den letzten Jahren ins Visier der Forscher, obwohl sie bereits vor über fünf Jahrzehnten von der späteren Nobelpreisträgerin Barbara McClintock entdeckt worden waren. Diese Werkzeuge bestehen -wie die Gene- aus der Erbsubstanz DNS und bilden beachtliche 40% des menschlichen Erbgutes (zum Vergleich: die eigentlichen Gene bilden, obwohl ihre Zahl beim Menschen ca. 25.000 beträgt, nur knapp 2% des menschlichen Erbgutes!). Der genetische Werkzeugkasten wird normalerweise vom Organismus unter strenger Kontrolle gehalten, viele Werkzeuge sind gar dauerhaft außer Betrieb. "Schwere äußere Stressoren wie Radioaktivität, Gifte oder lang anhaltender Mangel an Nahrung können jedoch dazu führen, dass der Organismus seine Werkzeuge hervorholt und sie sozusagen wie Hunde von der Leine lässt", erklärt Bauer. Wenn dies passiere, dann beginne die Zelle, in großem Umfang Gene zu verdoppeln und innerhalb des Genoms von einem Ort an einen anderen umzusetzen, in seltenen Fällen könne es gar zu Verdoppelungen des gesamten Erbgutes kommen. "Die Folge dieser Umbaumaßnahmen ist, dass Organismen völlig neue Eigenschaften erwerben und dass, wenn es sich um überlebensfähige Veränderungen in der Keimbahn (d. h., in für die Fortpflanzung bestimmten Zellen) handelt, schließlich neue Arten entstehen." Die im Erbgut als Werkzeuge zur Verfügung stehenden "Transposable Elements" (TEs) gelten in der Fachwelt inzwischen unumstritten als die eigentlichen "Motoren der Evolution".

Aus den jüngsten Erkenntnissen ergibt sich laut Joachim Bauer eine neue Sicht auf die Evolution. Einige Dogmen Darwins müssten einer Revision unterzogen werden: "Organismen und ihre Gene sind keine bloßen Objekte der Evolution, die Veränderungen nach dem Zufallsprinzip erleiden. Gene sind Akteure der Evolution, sie können sich unter der Regie der Zelle nach eigenen, in ihnen selbst liegenden Regeln verändern". Solche Veränderungen des eigenen Erbgutes seien im Verlauf der Evolution eine Reaktion des Organismus auf schwere äußere Stressoren gewesen, derer es viele gegeben habe. Alleine in den letzten 500 Millionen Jahren habe es fünf schwere, durch globale Klimakatastrophen verursachte Auslöschungsereignisse (so genannte "Massenextinktionen") gegeben, wobei es wiederholt beinahe zur Auslöschung allen Lebens gekommen wäre. "Der massenhaften Auslöschung von Arten durch veränderte Umweltbedingungen hat die Biosphäre ihr eigenes kreatives Potential entgegengesetzt", so Bauer. Der aktive Umbau der eigenen genomischen Architektur, welcher zur Bildung neuer Arten geführt habe (und vermutlich auch künftig führen werde), sei, so Bauer "nicht nur eine geniale Überlebensstrategie lebender Organismen, vermutlich konnte auch das Leben als Ganzes nur so überleben".

Gene als molekulare "Kommunikatoren" und "Kooperatoren"

Nicht nur die Theorie vom ausschließlich zufallsgesteuerten Gang der Evolution stehe auf dem Prüfstand. Auch populäre Konzepten wie jenes der "egoistischen Gene", denen der Soziobiologe Richard Dawkins in den 70er Jahren ein bis heute viel gelesenes Buch widmete, müssten, so Bauer, vor dem Hintergrund der modernen Genforschung revidiert werden. Gene seien keine autonomen, unabhängig von der Umwelt arbeitenden Instanzen. Zwar sei der "Text" der Gene (die so genannte "kodierende Region") unveränderlich, die Aktivität der Gene sei jedoch fortlaufenden Änderungen unterworfen und werde durch Signale aus der Umwelt reguliert, ein als "Genregulation" bezeichneter Umstand. "Gene und Umwelt stehen in einem permanenten Dialog", so Bauer. Doch Gene seien nicht nur "Kommunikatoren", sondern auch "Kooperatoren", denn ein Gen könne alleine gar nichts ausrichten. Es könne nur dann in Aktion treten, wenn es mit zahlreichen weiteren Molekülen in kooperative molekulare Wechselwirkungen eintrete. Bauer: "Der Übergang von anorganischen Molekülen zu einem ersten lebenden Ensemble, wie er sich vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in der Tiefe des Urmeeres abgespielt haben muss, hatte molekulare Kooperation und Kommunikation zur Voraussetzung. Beide Prinzipien blieben bis heute grundlegende Merkmale alles Lebendigen."

Quelle: "Das kooperative Gen - Abschied vom Darwinismus" (Verlag Hoffmann und Campe, Erscheinungsdatum 5. September 2008).

Kontakt:
Prof. Dr. Joachim Bauer
Abteilung Psychosomatische Medizin
Hauptstrasse 8, 79104 Freiburg
Tel. 0761/ 270 6539
joachim.bauer@uniklinik-freiburg.de

Rudolf-Werner Dreier | idw
Weitere Informationen:
http://www.uniklinik-freiburg.de

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