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26.10.22  Gleiche Variationsmechanismen im Gehirn von Menschen und Kraken

Transposons („springende Gene“) aus der LINE-Familie sind genetische Elemente, die sich verdoppeln und Kopien von sich selbst im Genom hinterlassen können. Lange Zeit wurden sie als „Junk-DNA“ (Überbleibsel alter Viren) betrachtet, doch in jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass sie für die Entwicklung und Komplexität des Nervensystems von Bedeutung sind. Völlig unerwartet sind dieselben springenden Gene sowohl im menschlichen Gehirn als auch im Gehirn von Kraken (Octopus) aktiv.

Mit * versehene Begriffe werden in einem Glossar am Ende des Artikels genauer erklärt.

Einleitung

Oktopusse (Echte Kraken) gehören zu den intelligentesten Tieren. Wie der Mensch verfügen sie über fortgeschrittene kognitive Fähigkeiten und Problemlösungskompetenzen, die für Neurobiologen von großem Interesse sind. Kein Wunder, dass sich die Forschung zunehmend mit der Erforschung des Gehirns und des Lernens dieser schlauen und neugierigen Tiere beschäftigt. Neurobiologen haben bereits früher festgestellt, dass das als LINE1 bekannte Transposon* in menschlichen Gehirnzellen aktiv ist (Upton et al. 2015). Man nimmt an, dass ihre Aktivität für Lernen und Kognition (Wahrnehmung, Erfahrung, Denken) entscheidend ist, da sie sich in der Nähe von Genen anreichern, die mit diesen Prozessen in Zusammenhang stehen. Jetzt haben Neurowissenschaftler dieselbe Familie von LINE-Transposons in den Neuronen von Kraken gefunden und sie auch mit deren kognitiven Fähigkeiten in Verbindung gebracht. Im Rahmen von Evolution wäre dies ein unglaublicher Fall von Konvergenz*.

Variation-inducing genetic elements (VIGE)

Ein großer Teil der Genome aller Organismen besteht aus Elementen, die Wissenschaftler heute als transponierbare und transponierte Elemente (TE) bezeichnen. Es handelt sich um DNA-Sequenzen, die von einer Stelle des Genoms zu einer anderen wandern und dabei Kopien von sich hinterlassen können. Die komplexesten TEs sind endogene Retroviren (kurz: ERV) und sog. „long interspersed nuclear elements“ (kurz: LINE). Ungefähr 8 % des menschlichen Genoms bestehen aus ERVs und 17 % aus LINEs. Sie wurden lange Zeit als Junk-DNA, als egoistische Gene und funktionslose evolutionäre Relikte betrachtet. Eine wachsende Zahl von Studien hat jedoch gezeigt, dass diese Elemente wichtige strukturelle und regulatorische Elemente des Genoms bilden; und sie werden zunehmend als eine wichtige treibende Kraft der Evolution eingeschätzt (Xing et al. 2007).

In früheren Arbeiten habe ich die LINE-Elemente als „variation-inducing genetic elements“ (VIGEs) bezeichnet (Terborg 2009a; 2009b; 2010; 2013), also als genetische Elemente, die Variation erzeugen. Damit ist gemeint, dass diese Elemente als Genschalter fungieren und/oder den genetischen Kontext so beeinflussen, dass die Genexpression in ihrer Umgebung beeinflusst wird. Durch ihr Vorhandensein können Gene mehr oder weniger aktiv sein, was zu genetischer Variation führt. Dass diese Bezeichnung treffend ist, wird nun auch durch die jüngste Hirnforschung deutlich. Sie zeigt, dass Transposons in hohem Maße zu Merkmalen beitragen, die mit der Komplexität des Nervensystems verbunden sind. Insbesondere die Retrotransposition* von LINE1 in Zellen des Hippocampus* wurde mit Kognition und Lernen in Verbindung gebracht (Muotri et al. 2005; Singer et al. 2011). Studien an der Fruchtfliege Drosophila haben ebenfalls gezeigt, dass Lernen und Gedächtnis mit der Aktivität von transponierbaren Elementen in Gehirnzellen zusammenhängen und dass ihre Aktivität fein reguliert ist (Kohlrausch et al. 2021; Protasova et al. 2021).

Konvergente Evolution?

Um festzustellen, ob im Gehirn von Kraken ein ähnlicher Mechanismus abläuft, hat eine Gruppe italienischer Wissenschaftler die sog. „Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation“ eingesetzt, um die molekulare Zusammensetzung der Gene zu analysieren, die im Nervensystem des Gemeinen Kraken (Octopus vulgaris) und des Kalifornischen Kraken (Octopus bimaculoides) aktiv sind (Petrosino et al. 2022). Auf diese Weise konnten sie alle funktionellen TEs, einschließlich der LINE-Elemente, identifizieren und ihre genaue Position in der DNA bestimmen. Sie fanden heraus, dass die Aktivität eines der LINE-Elemente zu spezifischen Signalen in Neuronen führte, die zu Bereichen gehören, die mit Verhaltensplastizität in Verbindung gebracht werden, dem Gegenstück zum Hippocampus beim Menschen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass „ein konvergenter evolutionärer Prozess, der die Aktivität von Retrotransposons* im Gehirn einbezieht, für die Evolution hochentwickelter kognitiver Fähigkeiten in dieser Gattung (Octopus) wichtig war“ (Petrosino et al. 2022).

Im System der Bilateria (Zweiseitentiere) könnten Mensch und Krake kaum weiter auseinander liegen: Kraken gehören zum Stamm der Weichtiere, der Mensch zu dem der Chordatiere. Im Rahmen des Evolutionsmodells sind die beiden Stämme durch etwa 500 Millionen Jahre evolutionärer Entwicklung getrennt. Dennoch haben Menschen und Kraken in einiger Hinsicht sehr ähnliche Augen – so genannte Kameraaugen –, die als Ergebnis konvergenter Evolution interpretiert werden. Als Konvergenz bezeichnet man die hypothetische Vorstellung, dass zwei (oder mehr) Organismen unabhängig voneinander sehr ähnliche biologische Strukturen evolutiv entwickelt haben. Nun müssen die Forscher eine weitere bemerkenswerte Konvergenz postulieren in Bezug darauf, wie beide Organismen durch den unabhängigen Erwerb von Transposons hochentwickelte kognitive Fähigkeiten erlangten.

Die Beobachtung, dass Menschen und Kraken genau den gleichen Mechanismus nutzen, um durch Retrotransposition von LINE-Variationen in Gehirnneuronen zu erzeugen, bedarf einer Erklärung. Wie ist es zwei unterschiedlichen Stämmen, Chordatieren und Weichtieren, gelungen, denselben Lernmechanismus unabhängig voneinander zu entwickeln? Die italienischen Forscher Giuseppe Petrosino und Stefano Gustincich kommentierten dies wie folgt:

„Diese Ähnlichkeit zwischen Mensch und Krake, die die Aktivität eines LINE-Elements im Sitz der kognitiven Fähigkeiten zeigt, könnte als ein faszinierendes Beispiel für konvergente Evolution erklärt werden – ein Phänomen, bei dem sich in zwei genetisch entfernten Arten derselbe molekulare Prozess unabhängig voneinander entwickelt, als Reaktion auf ähnliche Bedürfnisse“¹ (Anonymus 2022).

Wenn beobachtet wird, dass zwei (oder mehr) verschiedene Organismen die gleichen oder sehr ähnliche Merkmale aufweisen, die nicht das Ergebnis von Abstammung sein können, muss man sich im Rahmen der Evolutionsbiologie auf konvergente Evolution berufen. Es sollte angemerkt werden, dass konvergente Evolution keine Erklärung ist, sondern ein Begriff für eine unerklärte Beobachtung, die Evolution voraussetzt. Haben die Autoren die Evolutionsprozesse untersucht, die zum heutigen Zustand geführt haben? Nein, sondern sie untersuchten Lernprozesse bei Kraken und fanden völlig unerwartet, dass dabei derselbe Mechanismus angewendet wird, der bereits beim Menschen bekannt war.

Das Spektakuläre daran ist, dass – evolutionär gesehen – an der Basis der Chordatiere ein Gehirn noch nicht existierte, wie wir bei den heutigen Stachelhäutern beobachten können. Wie kann es also zu einer evolutionären genetischen Konvergenz bei Arten kommen, deren gemeinsamer Vorfahre das entsprechende Organ, in dem es aktiv ist, gar nicht besaß? Eine ähnliche Frage kann für die LINE-Elemente gestellt werden. Sie müssen bereits vor der Aufspaltung der Weichtiere und Chordatiere vorhanden gewesen sein und später unabhängig voneinander in verschiedenen Linien für gleiche Zwecke kooptiert* worden sein. Das bedeutet, dass sie bereits vor der sog. Kambrischen Explosion in einem hypothetischen einfacher gebauten Vorfahren vorhanden gewesen sein müssen, um wesentliche biologische Funktionen zu erfüllen. Diese Funktionen konnten jedoch nicht die Gehirnzellen betreffen, da sich die Gehirne noch nicht entwickelt hatten.

LINEs sind keine Überbleibsel von Viren

Die evolutionäre Erklärung für die Vielzahl der ERVs und LINEs in den Genomen ist, dass es sich hierbei um die Überreste von Retroviren handeln soll, die vor Millionen von Jahren in die Genome eingedrungen sind. In Anbetracht der neuen Daten bei den Kraken müsste dies für die LINE-Elemente noch vor der Kambrischen Explosion geschehen sein. Seitdem sollen diese Gene überall im Genom Kopien und funktionslose Bruchstücke von sich hinterlassen haben. Einige moderne Retroviren, wie das humane Immundefizienz-Virus (HIV), ähneln tatsächlich ERVs. Alternativ zu der Vorstellung, dass ERVs als integrierte Überbleibsel von (HIV-ähnlichen) Retroviren gedeutet werden, lassen sich Retroviren (einschließlich HIV) besser als transformierte ERVs erklären, die sich aus dem Genom losgelöst haben (Borger 2009b; 2010; 2013). Die Annahme, dass es sich bei LINEs um Überbleibsel von Retroviren handelt, wird durch die empirischen Daten nicht gestützt, denn im Gegensatz zu ERVs gibt es keine Retroviren, die LINEs ähneln. Dies lässt sich am Beispiel von LINE1, einem im menschlichen Genom aktiven transponierbaren Element, verdeutlichen. LINE1 ist ein komplexes genetisches Element mit zwei offenen Leserahmen*: ORF1 und ORF2. Das von ORF2 codierte Protein ermöglicht wesentliche enzymatische Aktivitäten für die reverse Transkription sowie für die Integration einer neu transponierten Kopie von LINE1. Somit pflanzt sich LINE1 durch einen Copy-Paste-Mechanismus fort und hinterlässt dabei identische Kopien an verschiedenen Stellen im Genom.

Die genaue Rolle von ORF1 ist noch ungeklärt. Es codiert ein Protein mit proteinbindenden Eigenschaften, kann aber auch als Nukleinsäure-Chaperon* fungieren (Upton et al. 2011). Der Ursprung von LINE1 ist jedoch völlig unbekannt. Der einzige Grund, LINE als Überbleibsel von Retroviren zu betrachten, besteht darin, dass sie ein Reverse-Transkriptase-Gen besitzen, das dem von ERVs geringfügig ähnelt. Es sollte jedoch betont werden, dass LINEs einen einzigartigen genetischen Aufbau haben, der sie zu einzigartigen genetischen Elementen macht, die nicht mit Retroviren verwandt sind. Die italienischen Hirnforscher liefern nun weitere Beweise dafür, dass sie in Genomen als variationsinduzierende genetische Elemente wirken. Dass sie in einer fernen Vergangenheit als Viren entstanden sind, ist lediglich eine Vermutung ohne empirische Belege.

Es bleibt rätselhaft, wie die LINE-Elemente über Hunderte von Millionen von Jahren erhalten und konserviert werden konnten, wenn es sich lediglich um virale Invasionen handelte, die durch sich anreichernde Mutationen ziemlich schnell zerstört werden könnten, wenn sie nicht sofort wichtige Funktionen ausüben. Die Konvergenz durch unabhängige Kooption von LINE übersteigt nach aktuellem Kenntnisstand die Glaubwürdigkeit einer evolutionären Entstehung.

Argument gegen die gemeinsame Abstammung

Seit über einem Jahrhundert wird die Evolutionsbiologie vom neodarwinistischen Forschungsprogramm dominiert. Die Haupthypothese dieses Programms besagt, dass alle Arten durch natürliche Prozesse (Selektion von Zufallsmutationen) aus einem einzigen gemeinsamen Vorfahren hervorgegangen sind. Im Rahmen der Schöpfungslehre hingegen wird die unabhängige Erschaffung von Urtypen (oder Grundtypen) mit eingebauten flexiblen Genomen postuliert, die sich verändern und anpassen und neue Arten hervorbringen können (Terborg 2008). Demnach enthielten die Genome der Urtypen von Anfang an eine begrenzte Anzahl von VIGEs, einschließlich ERVs und LINEs. In verschiedenen Urtypen könnten sich VIGEs an genau derselben Stelle in der DNA befunden haben, was dann erklärt, warum manche VIGEs in den Genomen moderner Organismen an derselben Stelle zu finden sind, unabhängig von der Annahme einer gemeinsamen Abstammung.

Die Funktionalität von LINEs ist sehr wichtig, die Plausibilität des Evolutions- und des Schöpfungsansatzes zu beurteilen. Wären LINEs ohne Funktion und würden sie sich zufällig in Genome einfügen, würde bei Vorliegen von ähnlichen Positionen der LINEs  die Annahme der gemeinsamen Abstammung im neodarwinistischen Rahmen stark unterstützt (vgl. Jorritsma 2022). Wären die LINEs hingegen funktionell und würde ihre genomische Integration stark reguliert und kontrolliert, wäre das Argument für die gemeinsame Abstammung schwach. Das Vorhandensein der gleichen LINEs (und anderer VIGEs) am gleichen Ort in den Genomen verschiedener Arten würde dann lediglich auf ein „verschachteltes Hierarchie-Argument“ hinauslaufen, das auch im Rahmen von Schöpfung verstehbar ist.

Die Tatsache, dass wir sowohl bei Wirbeltieren als auch bei Weichtieren LINEs mit genau derselben Funktion finden, ist ein starkes Argument dafür, dass gemeinsame Retrotransposons, selbst wenn sie sich an genau derselben Stelle in der DNA befinden, nicht unbedingt auf eine gemeinsame Abstammung schließen lassen. Vielmehr spricht ihre Funktionalität für ein vorgelagertes modulares Designsystem, das kontrollierte und regulierte Variationen hervorruft (Borger 2009b; 2010; 2013).

Anmerkung

¹ Das ist teleologisches Denken: „Bedürfnisse“ implizieren ein Ziel, das es im Rahmen von Evolution nicht geben darf.

Glossar

Hippocampus: Gehirnregion, die zum limbischen Kortex (Limbisches System) gehört und als Schaltstelle zwischen dem Kurz- und dem Langzeitgedächtnis fungiert. Der Hippocampus ist einer der wenigen Bereiche im Gehirn, in dem ein Leben lang neue Nervenzellen gebildet werden können.
Konvergenz: In der Evolutionsbiologie eine strukturelle, physiologische oder verhaltensmäßige Ähnlichkeit, die auf gleicher Funktion beruht und unabhängig entstanden ist.
Kooption: Übernahme von Merkmalen (oder Genen) in einen neuen Funktionszusammenhang.
LINE: Abkürzung von long interspersed nuclear element. à Retrotransposon, das in höheren Lebewesen vorkommt.
Nukleinsäure-Chaperon: Proteine, die in Zellen DNA oder RNA begleiten und/oder transportieren.
Offener Leserahmen (engl. open reading frame; ORF): DNA-Sequenz zwischen Start- und Stoppcodon, die die Aminosäuresequenz eines Proteins oder die Nukleotidsequenz eines RNA-Moleküls codiert.
Retrotransposon: Eine DNA-Sequenz, das sich im Genom über einen Copy/Paste-Mechanismus vermehrt. Es kopiert sich selbst über ein RNA-Molekül, das dann umgewandelt und in die DNA integriert wird.  Auf diese Weise kann es vererbbare Variationen hervorrufen.
Transposon (pl: Transposons oder Transposonen):  Genetisches Element (DNA- Sequenz), das sich im Genom umlagern und somit neue genetische Zusammenhänge erzeugen kann. Transposons werden derzeit als wichtige Triebkräfte für Anpassungen auf mikroevolutiver Ebene angesehen, aber auch als Triebkräfte für die großen phänotypischen Veränderungen, die für die Makroevolution erforderlich sind. Es sollte beachtet werden, dass sie dem Genom keine neuen genetischen Informationen hinzufügen, sondern bereits vorhandene genetische Programme freisetzen können.
VIGE: Abkürzung von variation-inducing genetic element. Eine DNA-Sequenz, die Variation erzeugen kann. Damit ist gemeint, dass diese Elemente als Genschalter fungieren und/oder den genetischen Kontext so beeinflussen, dass die Genexpression in ihrer Umgebung beeinflusst wird. Durch ihr Vorhandensein können Gene mehr oder weniger aktiv sein, was zu genetischer Variation führt.
ERV: Abkürzung von endogenous retrovirus. Transposon, das in höheren Lebewesen vorkommt.
Verschachtelte Hierarchie: Im System der Lebewesen beobachtetes Ordnungsprinzip, das durch eine abgestufte Rangordnung charakterisiert ist, d.h. Gruppen in größeren Gruppen innerhalb von noch größeren Gruppen.

Quellen

Anonymus (2022) Study: Same ‘Jumping Genes’ are Active in Octopus and Human Brains. Sci News, Jun 28, 2022, https://www.sci.news/genetics/octopus-human-brain-transposable-elements-10943.html

Jorritsma R (2022) How Well Does Evolution Explain Endogenous Retroviruses? – A Lakatosian Assessment. Viruses 14, https://doi.org/10.3390/v14010014

Kohlrausch FB, Berteli TS, Wang F, Navarro PA & Keefe DL (2021) Control of LINE-1 Expression Maintains Genome Integrity in Germline and Early Embryo Development. Reproductive Sciences 2021, 1–13.

Muotri AR, Chu VT, Marchetto MCN et al. (2005) Somatic mosaicism in neuronal precursor cells mediated by L1 retrotransposition. Nature 2005 435, 903–910.

Petrosino G, Ponte G, Volpe M et al. (2022 )Identification of LINE retrotransposons and long non-coding RNAs expressed in the octopus brain. BMC Biol 20, 116, https://doi.org/10.1186/s12915-022-01303-5

Protasova MS, Andreeva TV & Ivanovich Rogaev EI (2021) Factors Regulating the Activity of LINE1 Retrotransposons. Genes (Basel) 12, 1562.

Singer T, McConnell MJ, Marchetto MCN et al. (2011) LINE-1 Retrotransposons: Mediators of Somatic Variation in Neuronal Genomes? Trends in Neuronal Sciences 33, 345–354.

Terorg P (2008) The design of life: part 3 – baranomes. J. Creation 22, 68–76.

Terborg P (2009a) The design of life: part 3 – an introduction to variation-inducing genetic elements, J. Creation 23, 99–106.

Terborg P (2009b) The design of life: part 4 – variation-inducing genetic elements and their functions. J. Creation 23, 107–114.

Terborg P (2013) The ‘VIGE-first hypothesis’ – how easy it is to swap cause and effect. J. Creation 27, 105–112.

Terborg P (2010) ERVs and LINEs – along novel lines of thinking. J. Creation 32, 8–10.

Upton KR, Baillie JK & Faulkner GJ (2011) Is somatic retrotransposition a parasitic or symbiotic phenomenon? Mob. Genet. Elements 1, 279–282.

Upton KR, Gerhardt DJ, Jesuadian JS et al. (2015) Ubiquitous L1 mosaicism in hippocampal neurons. Cell 161, 228–239.

Xing J, Witherspoon DJ, Ray DA, Batzer MA & Jorde LB (2007) Mobile DNA elements in primate and human evolution Am. J. Phys. Anthropol. Suppl 45, 2–19.

Autor dieser News: Peter Borger

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