Den Wald vor Bäumen nicht sehen... (Teil 2).

Mein erstes Post zu Georg Mentings 'Von Korallen und Menschen' habe ich mit der Frage beendet, wie man bestimmt, ob ein Merkmal abgeleitet oder ursprünglich ist und was das mit dem Kortschak-Artikel zu tun hat, den Georg zitiert. Also, hier kommt's:

Möchte man wissen, ob ein bestimmtes Merkmal (dies kann phänotypisch oder genotypisch sein) einer Gruppe von Organismen ursprünglich oder abgeleitet ist, sucht man bei Vertretern verwandter Organismengruppen nach genau diesem Merkmal. Ist das Merkmal (oder Homologe davon) auch bei den anderen Organismengruppen vorhanden, kann man in der Regel davon ausgehen, dass dieses Merkmal auch beim letzten gemeinsamen Vorfahren der entsprechenden Gruppen vorhanden war, also ein ursprüngliches Merkmal darstellt. Der Umkehrschluss ist nicht immer möglich: Ist ein Merkmal [rotes Kästchen] nur in einer Organismengruppe zu finden (links im Bild z. B. bei den Deuterostomen, durch den Menschen vertreten), aber in den verwandten Organismengruppen abwesend [weißes Kästchen] (Fruchtfliege und Fadenwurm gehören zu den Protostomen), dann kann es eine Neuerwerbung sein, also nach der Aufspaltung von Deuterostomen und Protostomen entstanden sein (links), es kann aber auch bei dem gemeinsamen Vorfahren vorhanden gewesen sein und in der anderen Gruppe, bei den Protostomen in diesem Beispiel, sekundär verloren gegangen sein (rechts).
Um herauszufinden, welche dieser beiden Möglichkeiten zutrifft, muss man Vertreter einer Linie untersuchen, die sich noch früher, also vor der Aufspaltung von Protostomen und Deuterostomen, abgespaltet hat.

Betrachtet man Protostomen und Deuterostomen, stellen die Cnidaria, zu denen die Korallen gehören, eine solche "Outgroup" dar. Findet man bei ihnen ein Merkmal, das bei Menschen vorhanden ist, aber nicht bei Fruchtfliegen und Fadenwürmern, kann man davon ausgehen, dass es im letzten gemeinsamen Vorfahren aller dieser Gruppen vorhanden war und (nur) bei den Protostomen (vertreten durch Fruchtfliege und Fadenwurm) sekundär verloren gegangen ist.
Genau darum ging es in dem Kortschak-Artikel, auf den sich Georg in seinem Beitrag bezogen hat.
Es gibt eine ganze Reihe von Genen, die man in Säugetieren findet, aber nicht in den Genomen von beispielsweise Fruchtfliege und Fadenwurm. Bei vielen von diesen hat man angenommen, dass sie erst nach der Aufspaltung der entsprechenden Tiergruppen entstanden, also evolutionäre Neuerwerbungen beispielsweise der Wirbeltiere sind. Genau diese Annahme haben Kortschak et al. untersucht. Da es zu dem Zeitpunkt ihrer Untersuchung (Nov. 2002) noch keine Genomsequenzen von Cnidariern gab, erstellten sie 1376 EST Cluster (Expressed Sequence Tags) von Acropora millepora, einer Koralle. ESTs sind kurze Abschnitte (300 bis 500 bp) von mRNA-Sequenzen (genauer: cDNA). Für diese Untersuchung wurde die mRNA aus 96 Stunden alten Korallen-Larven extrahiert, in DNA umgeschrieben und sequenziert. Die ESTs stellen sozusagen einen "Schnappschuss" der Gene dar, die zu diesem Zeitpunkt in den Larven exprimiert ("abgelesen") wurden. Diese so erhaltenen Sequenzen "übersetzten" sie in Proteinsequenzen und verglichen sie mit einer Datenbank (GenPept), in der Übersetzungen aller zu dem Zeitpunkt in GenBank gespeicherten ESTs vorhanden waren (von allen möglichen Organismen, vergleiche z. B. hier).
Für 492 dieser 1376 EST Clustern fanden sie ähnliche Sequenzen in der Datenbank. Davon stellten 11 % (53 Treffer) ein mögliches menschliches Homolog dar, zu dem es kein entsprechendes in Fliege oder Wurm gab. Umgekehrt hatten nur 1 % dieser Sequenzen (5) ein mögliches Homolog in Fliege und/oder Wurm, aber nicht im Menschen.
Bezüglich der Sequenzen, die sowohl in der Koralle als auch beim Menschen gefunden wurden, aber nicht in Fliege oder Wurm, kann man schließen, dass die entsprechenden Gene im letzten gemeinsamen Vorfahren aller dieser Tiere vorhanden waren und sekundär in der Linie verloren gegangen sind, aus der Fruchtfliegen und Fadenwürmer hervorgegangen sind (entsprechend der zweiten Abbildung). Bei einer ganzen Reihe dieser 53 "Gene" hatte man vor dieser Untersuchung angenommen, dass sie erst in den Wirbeltieren entstanden waren.
Das eigentlich "überraschende" war, dass Menschen, verglichen mit Fadenwürmern und Fliegen, mehr ursprüngliche Merkmale haben als diese, bzw. Fadenwürmer und Fliegen mehr abgeleitete Merkmale haben als Menschen.
Ein zweites Ergebnis war, dass viele der Korallen-ESTs eine größere Ähnlichkeit mit Gensequenzen aus Wirbeltieren/Vertebraten hatten (36 % der Sequenzen hatten eine größere Ähnlichkeit mit Sequenzen aus dem Menschen), als mit Sequenzen von Wirbellosen (Invertebraten; 33 % der Sequenzen hatten eine größere Ähnlichkeit mit Sequenzen aus der Fruchtfliege, 7 % mit Sequenzen aus dem Fadenwurm).
Diese Untersuchung widerlegt, wenn überhaupt irgendetwas, zunächst mal die Vorstellung, dass der Mensch die am meisten "evolvierte" Art darstellt. Wir sind, jedenfalls bezogen auf die untersuchten Sequenzen, näher dran an unser aller gemeinsamen Vorfahren als Fadenwürmer und Fruchtfliegen, so sehr das auch manchen gegen den Strich gehen mag.

Was diese Untersuchung ebenfalls widerlegt, ist die Idee, Evolution würde immer nur durch Addition neuer Gene ablaufen. Bei Fadenwurm und Fruchtfliege sind im Laufe der Evolution jedenfalls eine große Anzahl Gene sekundär wieder verloren gegangen. Schon vor dieser Untersuchung war bekannt, dass in dem Hefepilz Saccharomyces cerevisiae seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren mit der "Spalthefe" Schizosaccharomyces pombe etwa 300 Gene verschwunden sind. Sekundärer Genverlust kann ebenso Resultat von Evolution sein wie die Entstehung neuer Genfunktionen.

Noch interessanter ist allerdings, was *seit* dieser Untersuchung noch so herausgefunden wurde. Beispielsweise wurde letztes Jahr die Sequenzierung des Genoms der Seeanemone Nematostella vectensis abgeschlossen, die wie die von Kortschak et al. untersuchte Koralle Acropora millepora zu den Cnidariern gehört.

Der entsprechende Artikel ist im Volltext erhältlich und verhältnismäßig verständlich geschrieben: Putnam et al. (2007). Sea Anemone Genome Reveals Ancestral Eumetazoan Gene Repertoire and Genomic Organization. Science 317(5834): 86-94 [OpenAccess; die Abbildung links stammt aus diesem Artikel, die bunten Kreise habe ich mit meinen unübertroffenen Powerpoint-Fähigkeiten zur Verdeutlichung (hoffentlich) hinzugefügt]

PZ Myers hat eine sehr gute Zusammenfassung des Artikels geschrieben, die ich ebenfalls wärmstens zu lesen empfehle.

Die Autoren dieses Artikels haben das Genom von Nematostella nicht nur mit den Genomen von Mensch, Fruchtfliege und Fadenwurm verglichen, sondern zusätzlich noch mit dem von Krallenfrosch und Pufferfisch. Zunächst einmal wurden die Ergebnisse von Kortschak et al. bestätigt: Das menschliche Genom ist dem Nematostella-Genom viel ähnlicher als das Fliegen- oder Fadenwurm-Genom.

Was kann man aus dem Vergleich der Gene/Genome über den Aufbau des Genoms des letzten gemeinsamen Vorfahrens aller "Gewebetiere", also des "Ureumetazoas", erfahren?
Die Autoren identifizierten 7766 Genfamilien, die in Nematostella und mindestens einer der anderen oben angeführten Arten vorhanden waren. Genfamilien sind Gruppierungen all jener Gene, deren Sequenz so ähnlich ist, dass sie ursprünglich aus einem einzigen Gen hervorgegangen sein sollten. Diese Genfamilien enthalten sowohl Gene innerhalb einer Art, die wahrscheinlich durch Duplikation und Diversifikation aus einem einzigen Vorläufer entstanden sind, als auch das entsprechende Gen/die entsprechenden Gene in anderen Arten.
Jede Genfamilie entspricht daher (mindestens) einem Gen in dem Ureumetazoa, das in erkennbarer Form sowohl in Cnidariern als auch in mindestens einer der anderen Gruppen erhalten geblieben ist.
Beim Menschen gehen etwa zwei Drittel aller Gene auf diese ursprünglichen Gene zurück, etwa ebenso viele bei Nematostella. Sowohl das Fruchtfliegen- als auch das Fadenwurmgenom enthalten erheblich mehr Innovationen, nur etwa 50 % bzw. 40 % ihrer Gene gehen auf diese ursprünglichen Gene zurück.
Aus dem Putnam-Artikel:

The Ancestral Eumetazoan Gene Set

By comparing the gene complement of Nematostella with other metazoans, we attempted to reconstruct the gene repertoire of the eumetazoan (i.e., cnidarian-bilaterian) ancestor and to infer the gains, losses, and duplications that occurred both before and after the eumetazoan radiation. To approximate the gene repertoire of the eumetazoan ancestor, we constructed 7766 putatively orthologous gene families that are anchored by reciprocal best-scoring BLAST alignments between genes from anemone and one or more of fly, nematode, human, frog, or pufferfish. Each family thus represents a single gene in the eumetazoan ancestor whose descendants survive in recognizable form as modern genes in both cnidarians and bilaterians. These families account for a substantial fraction of genes in modern animals: We estimated that nearly two-thirds of human genes (13,830) are descended from these progenitors through subsequent gene family expansions along the human lineage, and a comparable number (12,319) of predicted Nematostella genes arose by independent diversifications along the cnidarian branch, but only 7309 ( 50%) and 7261 ( 40%) were found in Drosophila [Fruchtfliege] and Caenorhabditis elegans [Fadenwurm], respectively. Given that we cannot capture genes that were present in the eumetazoan progenitor but became highly diverged or lost in one or more sequenced descendants, our reconstructed ancestral gene set is necessarily incomplete, but it nevertheless provides a starting point for further analysis.

Of the 7766 ancestral eumetazoan gene families, only 72% (5626) are represented in the complete genomes of all three major modern eumetazoan lineages: cnidarians (i.e., Nematostella), protostomes (i.e., Drosophila and/or C. elegans), and deuterostomes (requiring presence of at least two of pufferfish, frog, and human). We found 1292 eumetazoan gene families that had detectable descendants in anemone and at least two of the three vertebrates, but that appeared to be absent in both fruit fly and soil nematode. This indicates that they were either lost or highly diverged in both of these model protostomes, extending the list of such genes found in EST studies. The forthcoming genome sequences of crustaceans, annelids, and mollusks will help address which of these genes survived in the protostome lineage but were convergently lost in flies and nematodes. In contrast, only 33 genes were found in Nematostella and both Drosophila and C. elegans, but not in any vertebrate. These results represent putative deuterostome or vertebrate loss, indicating a much lower degree of gene loss in the vertebrates than in the ecdysozoan model systems. We found 673 gene families that were represented in model protostomes and vertebrates but not in Nematostella. These are candidates for bilaterian novelties, but some will no doubt turn out to be losses or divergent sequences in Nematostella.

[Quelle: Putnam et al. (2007)]

Wo kamen diese 7766 Gene des Ureumetazoas her? Nahezu 80 % dieser Gene (6182) haben klar identifizierbare Verwandte außerhalb des Tierreichs, also in Bakterien, Pilzen, Ciliaten, Pflanzen etc.. Diese Gene haben ihren Ursprung also noch viel früher, waren also möglicherweise schon Bestandteil des Genoms des einzelligen Vorfahrens aller Eukaryoten, der wahrscheinlich vor 1,1 – 1,5 Milliarden Jahren lebte.
Die restlichen 20 % der Gene (1584) stellen Neuheiten dar, die sich in den folgenden 400 – 800 Millionen Jahren entwickelt haben müssen, also bis zur Aufspaltung von Cnidaria und Bilateria vor etwa700 Mio. J..

Diese "Neuheiten" bestanden zu einem überwiegendem Teil aus Genen, die z. B. in Zelladhäsion und -Kommunikation involviert sind. Aus dem Putnam-Artikel:

Satisfyingly, but perhaps not surprisingly, we found that the novel genes were significantly enriched for signal transduction, cell communication and adhesion, and developmental processes. The eumetazoan ancestor was the progenitor of all extant animals with nervous systems, and genes with neuronal activities are abundant among its novelties.

[Quelle: Putnam et al. (2007)]


Tatsächlich sind sogar ein Viertel der neuen Gene nicht wirklich neu, sondern enthalten "nur" eine neue Domäne im Verbund mit einer alten, oder enthalten eine neue Bindungsstelle. In der Abbildung ist das einmal grafisch dargestellt: In (A) die prozentuale Zusammensetzung der Eumetazoen-Gene nach ihrer Herkunft, in (B) beispielhaft ein Stoffwechselweg, bei dem mit der gleichen Farbkodierung markiert ist, welche Teile auf ursprüngliche oder neue Gene zurückgehen.


Abb.: Origins of eumetazoan genes.
(A) Pie chart showing the percentages of genes in the eumetazoan ancestors according to their origin: type I novelties with no homology to proteins in nonanimal outgroups (blue), type II novelties with novel animal domains paired with ancient domains (orange), type III novelties with new pairings of ancient domains (pink), and ancient genes (green). (B) A schematic representation of the FAK and Shc/Fyn pathways in integrin signaling. The proteins are color-coded to reflect their ancestry, as in (A). JNK, c-Jun N-terminal kinase. Aus: Putnam et al. (2007). Sea Anemone Genome Reveals Ancestral Eumetazoan Gene Repertoire and Genomic Organization. Science 317(5834): 86 – 94


Wenn wir also so viele ursprüngliche Gene haben und so viele von ihnen mit Korallen und Seeanemonen gemeinsam haben, warum sehen wir dann nicht mehr aus wie sie? Cnidaria, auch wenn sie relativ einfach aufgebaut sind, enthalten z. B. alle Signalübertragungswege, die auch die "höheren" Tiere haben.

Die Unterschiede bestehen weniger im "Haben oder Nicht-Haben", sondern in der Regulation. Ein Beispiel, das im Zusammenhang mit Genregulation und Evolution immer wieder gebracht wird, sind die sogenannten Hox-Gene (für ihre Erforschung bekam Lewis 1995 den Nobelpreis verliehen). Diese codieren Transkriptionsfaktoren, die ihrerseits die Expression anderer Gene regulieren. Sie "entscheiden" vor allem während der Embryonalentwicklung, wann welche Gene wo, d. h. in welchem Körperabschnitt, an- oder abgeschaltet werden (links beispielsweise ein Fruchtfliegenembryo mit verschiedenen Fluoreszenzstoffen angefärbten Hox-Gentranskripten). Bei der Fruchtfliege legt die Expression der Hox-Gene beispielsweise fest, an welchem Körpersegment Fühler, Beine oder Flügel ausgebildet werden.


Abb.: Ein Drosophila-Embryo, in der die Aktivität von sieben Hox-Gentranskripten durch Anfärbung in verschiedenen Farben sichtbar gemacht ist. Aus: Lemons et al. (2006). Genomic Evolution of Hox Gene Clusters. Science 313(5795): 1918 – 1922


Die Hox-Gene sind in Genkomplexen zusammengefasst, d. h. Gruppen von ihnen liegen im Genom hintereinander auf dem DNA-Strang. Die Abbildung weiter unten zeigt den Drosophila Hox-Genkomplex, darunter die vier Hox-Genkomplexe der Säugetiere (A-D). Der Vorfahre von Mensch und Fruchtfliege hatte wahrscheinlich nur einen Hox-Genkomplex aus 13 Genen.

The cephalochordate amphioxus has a single Hox complex comprising 14 Hox genes. In vertebrates, the entire ancestral genome has been duplicated twice. These whole-genome duplications may have been a key component in the evolutionary success of vertebrates. Mammals contain four Hox complexes (designated A–D) of about 100 kb each with 13 paralogous (duplicated) genes. The complexes follow the rules of colinearity, with genes at one end being expressed earlier and more anteriorly than those at the other end. A mouse or human has a total of 39 Hox genes, as some of the duplicated genes were lost.

[Quelle: DeRobertis et al. (2008)]

So viel ich weiß, ist noch nicht ganz geklärt, wie viele Hox-Gene bzw. Genkomplexe Nematostella genau hat. Aus dem Putnam-Artikel:

Putative Hox genes in Nematostella and other cnidarians are also expressed in spatial patterns consistent with an ancient role in embryonic development. [...]
Nematostella has several clusters of homeobox genes, but only those on scaffolds 3 and 61 are embedded within the ancestral eumetazoan Hox context, providing independent support for the assignment of these homeobox genes as bona fide Nematostella Hox genes.

[Quelle: Putnam et al. (2007)]


In einem etwas später als der Putnam-Artikel erschienen Artikel ist von mindestens sieben Hox-Genen in Nematostella die Rede. In dem gleichen Artikel wird übrigens erwähnt, dass die scheinbare radiäre Symmetrie vieler Cnidaria möglicherweise ein abgeleitetes Merkmal ist, d. h. ihr Vorfahre zeigte u. U. auch eine zweiseitige Symmetrie [Ryan & Baxevanis (2007). Hox, Wnt, and the evolution of the primary body axis: insights from the early-divergent phyla. Biology Direct 2007, 2:37].


Abb.: Hox Complexes of Drosophila and Mammals
The Hox complex has been duplicated twice in mammalian genomes and comprises 39 genes. Note that microRNA genes, which inhibit translation of more anterior Hox mRNAs, have been conserved between Drosophila and humans. Aus: E.M. De Robertis (2008). Evo-Devo: Variations on Ancestral Themes. Cell 132(2): 185-195
Die mit der gleichen Farbe markierten Gene [Pfeile] sind natürlich nicht identisch, aber sie sind sich so ähnlich, dass sie höchstwahrscheinlich aus Duplikationen hervorgegangen sind, bzw. auf ein gemeinsames Ursprungsgen zurückgehen.


Wenn also während der Evolution der Säugetiere etwas "komplexer" geworden ist, dann die Genregulation, nicht die Genausstattung. Dies ist schon daran ersichtlich, dass Menschen und Nematostella eine vergleichbare Anzahl an Genen haben (um die 20 000). Und wie das Beispiel der Hox-Gene zeigt, musste auch für die veränderte Genregulation das Rad nicht neu erfunden werden, sondern konnte auf Altbekanntes zurückgegriffen werden.

Ich könnte noch etliches mehr zu dem Thema schreiben, aber ich belasse es erstmal hierbei. Während ich dies hier geschrieben und die dazugehörigen Artikel gelesen habe, konnte ich mich nur wundern, wie jemand das lesen und danach behaupten kann, diese Befunde würden der Evolutionstheorie widersprechen. Das erste vollständig sequenzierte Genom eines frei lebenden und sich selbst replizierenden Organismus, Haemophilus influenzae, wurde erst 1995 veröffentlicht. Das Genom des Fadenwurms wurde 1998 zu Ende sequenziert. Drosophilas Genom wurde 2001 veröffentlicht, das Genom des Menschen im gleichen Jahr [Quelle z. B. hier]. In jedem einzelnen dieser Genome hätte man etwas finden können, das der Evolutionstheorie widerspricht. Aber das ist nicht passiert.

In der Abbildung links sind Genomgrößen und die Schwankungsbreiten von verschiedener Organismengruppen dargestellt. Die Beschriftung dort lautet wie folgt:

Note: the groups in this figure are arranged along a made-up "scala naturae" to emphasize the lack of relationship between genome size and intuitive notions of organismal complexity -- please do not construe this figure as an endorsement of a progressionist view of evolution!

[Quelle: Animal Genome Size Database]

Von Vorstellungen wie der, dass die Größe des Genoms mit der tatsächlichen oder angeblichen Komplexität eines Organismus in einem Zusammenhang steht, hat man schon vor vierzig Jahren angefangen, sich zu verabschieden, als nämlich deutlich wurde, dass verwandte Organismen mit vergleichbarem Aufbau Genomgrößen hatten, die sich um mehrere Größenordnungen unterscheiden konnten. Wer natürlich heutige Befunde mit Vorstellungen in Einklang zu bringen versucht, die fast ein halbes Jahrhundert alt sind, braucht sich nicht wundern, wenn er damit Probleme bekommt. Das als einen Widerspruch zur Evolutionstheorie zu bezeichnen, ist aber purer Unfug.

MfG,
JLT

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Kortschak et al. (2003). EST Analysis of the Cnidarian Acropora millepora Reveals Extensive Gene Loss and Rapid Sequence Divergence in the Model Invertebrates. Current Biology 13(24): 2190-2195

Putnam et al. (2007). Sea Anemone Genome Reveals Ancestral Eumetazoan Gene Repertoire and Genomic Organization. Science 317(5834): 86 – 94 (OpenAccess)

Lemons et al. (2006). Genomic Evolution of Hox Gene Clusters. Science 313(5795): 1918 – 1922

Ryan & Baxevanis (2007). Hox, Wnt, and the evolution of the primary body axis: insights from the early-divergent phyla. Biology Direct 2007, 2:37 (OpenAccess)

E.M. De Robertis (2008). Evo-Devo: Variations on Ancestral Themes. Cell 132(2): 185-195