Evolution

Klüger als Affen: Warum wir mehr Neuronen haben als unsere Vettern

Schimpansen und Menschen haben ein ziemlich ähnliches Erbgut, die Menschen aber mehr Gene, die das Gehirn haben wachsen lassen.

Schimpansen und Menschen haben ein ziemlich ähnliches Erbgut, die Menschen aber mehr Gene, die das Gehirn haben wachsen lassen.

Warum hat sich nur beim Menschen die Grosshirnrinde vergrössert? Forscher haben nach der genetischen Ursache gesucht.

Das Erbgut des Menschen unterscheidet sich nur minimal von dem des Schimpansen. Doch im Lauf der Evolution sind im menschlichen Genom einige Gene hinzugekommen. Sie steigern die Produktion von Neuronen der Grosshirnrinde, was zu einer starken Vergrösserung des Gehirns beigetragen hat. Das berichten jetzt eine belgische und eine amerikanische Forschergruppe im Fachblatt «Cell». Eine verstärkte oder verringerte Aktivität dieser Gene könnte zu übermässigem oder eingeschränktem Hirnwachstum führen (Makro- oder Mikrozephalie) und eine Ursache von Autismus und Schizophrenie sein. Die genetische Veränderung verbesserte nicht nur die Denkleistung, sondern erhöhte wahrscheinlich auch das Risiko für Hirnerkrankungen und psychische Störungen.

«Wir wollten herausfinden, was in der menschlichen Evolution die Entwicklung des grösseren Gehirns – insbesondere der Grosshirnrinde – bewirkte», sagt Pierre Vanderhaeghen von der Université Libre de Bruxelles. «Da die Vergrösserung des Gehirns relativ schnell ablief, war es naheliegend anzunehmen, dass neu entstandene Gene dafür verantwortlich gewesen sein könnten.»

Die Zellen der Grosshirnrinde entwickeln sich aus speziellen Vorläuferzellen, die aus neuronalen Stammzellen hervorgegangen sind. Im menschlichen Fötus vermehren sich diese Vorläuferzellen zunächst durch zahlreiche Zellteilungen, bevor sie sich schliesslich in reife Neuronen umwandeln. Bei Mäusen und Affen dagegen ist dieser Prozess abgekürzt: Schon nach wenigen Zellteilungen entstehen Neuronen, deren Gesamtzahl daher deutlich geringer ausfällt als beim Menschen. Die Ursache dafür war bisher nicht bekannt.

35 Gene für ein grosses Gehirn

Vanderhaeghen und seine Kollegen suchten nach spezifisch menschlichen Genen, die dafür verantwortlich sein könnten. Dazu analysierten sie die Aktivität von Genen in fötalem Hirngewebe. Sie konnten 35 Gene identifizieren, die bei der Entwicklung der Grosshirnrinde überaus aktiv waren. Einige davon waren offenbar nach Verdopplung des im Erbgut von Affen vorhandenen NOTCH2-Gens entstanden. NOTCH2-Gene sind an der Kontrolle eines Signalwegs beteiligt, der die Hirnentwicklung steuert. Drei der als NOTCH2NL bezeichneten nur beim Menschen vorkommenden Varianten dieser Gene verstärkten die Wirkung des NOTCH-Signalwegs. Das verändert den Ablauf der Zellteilungen neuronaler Vorläuferzellen so, dass die für Menschen typische grosse Zahl an Neuronen und eine entsprechend ausgedehnte Grosshirnrinde zustande kommt. Die Forscher vermuten, dass zu schwache oder übermässige Aktivität der NOTCH2NL-Gene angeborene Hirnschäden und psychische Störungen verursachen könnten.

Hinweise fanden die Forscher um David Haussler von der University of California in Santa Cruz bei genetischen Untersuchungen von elf Patienten mit Makro- oder Mikrozephalie. Veränderungen in der Region der NOTCH2NL-Gene verweisen auch auf einen Zusammenhang mit neurologischen Erkrankungen wie ADHS, Autismus und Schizophrenie. Hausslers Arbeitsgruppe untersuchte Hirngewebe, das aus Stammzellen von Menschen und Affen gezüchtet wurde. In den so erzeugten «zerebralen Organoiden» – auch «Minihirne» genannt – entwickeln sich die für die Grosshirnrinde charakteristischen Strukturen aus vernetzten Neuronen. In Organoiden menschlicher Zellen, aus denen die NOTCH2NL-Gene entfernt worden waren, entstanden Zellen der Grosshirnrinde zwar schneller, aber in geringerer Zahl.

NOTCH2NL-Gene fanden sich nur in menschlichen Zellen, nicht aber in Organoiden von Makaken und nicht im Erbgut von Schimpansen, Gorillas und Orang-Utans.
Vor drei bis vier Millionen Jahren müsste es demnach bei einem gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Menschenaffen zu einer Verdopplung des NOTCH2-Gens gekommen sein. Das Duplikat, ein Pseudogen, hatte zunächst keine Funktion. Während der weiteren Evolution zum Menschen allerdings wurden daraus neue funktionierende NOTCH2NL-Gene. Wie Genomvergleiche zeigten, verfügten darüber auch schon die Neandertaler und die Denisova-Menschen.

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