Vor etwa 60 Jahren entdeckten zwei Forscher, Joe Hin Tjio und Albert Levan, dass die Anzahl der Chromosomen (Karyotyp) beim Menschen 46 Chromosomen beträgt, also 23 Paare und nicht 48, wie bisher angenommen (1). Der Schlüssel zu dieser Entdeckung war die Einführung einer Reihe von Verbesserungen in den Kulturtechniken, die bei menschlichen Fibroblasten angewandt wurden, insbesondere im Hinblick auf die Behandlung mit Colchicin, das die Zellteilung in einem für die Beobachtung der Chromosomen geeigneten Stadium unterbricht. Dies ist die so genannte Metaphase, in der die Chromosomen zusammengezogen werden, so dass sie durch ein Mikroskop gut zu sehen sind. Interessanterweise wurden dieselben Verbesserungen in den folgenden Jahren genutzt, um festzustellen, dass unsere engsten Vorfahren (große Menschenaffen, wie Schimpansen, Bonobos, Gorillas oder Orang-Utans) 48 Chromosomen besaßen. Wie und wann kam es zu dieser Veränderung der Chromosomenzahl? Und vor allem: Welche Rolle spielte dieser Unterschied bei der Entstehung unserer Spezies? Die neuesten Durchbrüche in der genetischen Analysetechnik machen große Fortschritte bei der Lösung dieser beiden Fragen.
Chromosomenfusion: der Grund für den Unterschied
Anfang der 1960er Jahre waren die zytogenetischen Techniken noch nicht für vergleichende Studien von Chromosomen im Allgemeinen und bei Primaten im Besonderen vorbereitet. Die später verfeinerten Techniken zur Gewinnung von Farbband- und Interbandmustern in Chromosomen zeigten, dass unser zweitgrößtes Chromosom das Ergebnis einer Fusion zweier Chromosomen ist, die zu unseren nächsten evolutionären Vorfahren gehören.
Allerdings kamen erst nach den 1970er Jahren molekulare Techniken auf, die eine direkte Analyse der DNA auf den Chromosomen erlaubten, vor denen eine eingehende Charakterisierung der Chromosomenumlagerung, die uns von den großen Menschenaffen unterscheidet, nicht möglich war. So stellte man fest, dass sich mehr oder weniger in der Mitte unseres Chromosoms 2 telomere und subtelomere DNA-Sequenzen befanden (die normalerweise nur an einem Ende von Chromosomen vorhanden sind, nicht aber in inneren Bereichen) (2). Damit war klar, dass die Verschmelzung der beiden Chromosomen vollständig, d. h. von einem Ende zum anderen, erfolgt war. Heute hat die Verfügbarkeit des menschlichen Genoms und des Genoms großer Menschenaffen gezeigt, dass der genetische Inhalt unseres Chromosoms 2 der Summe der beiden Chromosomen unserer Affenvorfahren entspricht.
Es wurde jedoch auch festgestellt, dass dem Fusionsbereich, aus dem unser Chromosom 2 entstanden ist, einige Regionen und Sequenzen fehlen, die den subtelomeren Bereichen entsprechen, die in den beiden bei unserer Spezies fusionierten Chromosomen vorhanden sind. Mit anderen Worten: Bei der Fusion muss ein Teil des genetischen Materials der beiden ursprünglich getrennten Chromosomen bei den Vorfahren, die wir mit den großen Menschenaffen gemeinsam haben, verloren gegangen und neu angeordnet worden sein.
Denisovaner, Neandertaler und große Menschenaffen: Wann haben wir uns getrennt?
Analysen, die derzeit an Genomen von ausgestorbenen, direkt mit uns verwandten Arten wie Denisovans und Neandertalern durchgeführt werden, zeigen, dass diese Arten bereits die Chromosomenfusion aufwiesen, aus der das für den Menschen charakteristische lange Chromosom 2 entstand (3). Diese Chromosomenumlagerung reicht also weit zurück: Schätzungen mit verschiedenen Methoden datieren sie auf 0,75 bis 4,5 Millionen Jahre.
Die Tatsache, dass Denisovaner und Neandertaler die gleiche Chromosomenzahl hatten wie wir, könnte erklären, warum die Nachkommen aus Kreuzungen mit unserer Spezies lebensfähig und möglicherweise fruchtbar waren. Dies würde auch erklären, warum Spuren ihrer genetischen Merkmale in unserem Genom verbleiben, wie die vergleichende genomische Analyse der drei Spezies zeigt. Die hypothetischen Nachkommen einer Kreuzung zwischen den drei genannten Hominidenarten (46 Chromosomen) und ihren großen Affenvorfahren (48 Chromosomen) hätten jedoch Probleme mit der Chromosomeninkompatibilität gehabt und wären wahrscheinlich nicht lebensfähig gewesen. Tatsächlich wurden in unserem Genom keine Spuren von spezifischen genetischen Merkmalen der Großaffen gefunden. Daher könnte die Chromosomenfusion als ein effizienter Mechanismus zur reproduktiven Isolation gewirkt haben, der uns von den Vorfahren der großen Menschenaffen isolierte.
Schließlich besteht die Möglichkeit, dass die Chromosomenfusion, aus der unser Chromosom 2 hervorging, mit dem Auftreten unserer charakteristischen Merkmale verbunden war. So sind mehrere Gene in unserem Chromosom 2, die sich in der Nähe des Bereichs der Chromosomenfusion befinden, bei unserer Spezies intensiver exprimiert als bei den großen Menschenaffen. Diese Gene werden vor allem in hochsignifikanten Geweben und Organen, wie dem Gehirn und den Keimdrüsen, exprimiert (4). Zweitens könnte der Verlust bestimmter DNA-Sequenzen, der durch die Verschmelzung stattfand, „positive“ Auswirkungen auf unsere Vorfahren gehabt haben.
Um endgültig zu klären, wie es zu der für unsere Spezies so charakteristischen Chromosomenumlagerung kam, wird man in den nächsten Jahren versuchen müssen, die DNA von ausgestorbenen Spezies zu erhalten, die älter sind als Homo Erectus oder Homo Heidelbergensis, um so zu klären, ob die Fusion mit allen „menschlichen“ Abstammungslinien assoziiert ist; oder eine eingehende vergleichende Analyse des Fusionsbereichs unseres Chromosoms 2 und der subtelomeren Bereiche der beiden großen Affenchromosomen, die an der Fusion beteiligt waren, durchzuführen, was bisher nicht möglich war.
Manuel Ruiz Rejón
Universität Granada, Autonome Universität von Madrid
- J. Tjio und A. Levan. 1956. The chromosome number of Man. Hereditas, 42( 1-2): 1-6.
- W. Ijdo et al.1991. Origin of human chromosome 2: an ancestral telomere-telomere fusión. PNAS, 88: 9051-9056.
- Meyer et al. 2012 A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science, 338:222-226; K. H. Miga. 2016. Chromosomen-spezifische Zentromer-Sequenzen liefern einen Hinweis auf das Ancestral Chromosome 2 Fusion event in Hominin Genome.Journ. of Heredity. 1-8. Doi:10.1093/jhered/esw039.
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