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25.09.23 Sprunghafte Entstehung von Genen?
Zunehmend wird beobachtet, dass unterschiedliche Organismen ihre eigenen, einzigartigen Gene haben, die so genannten de-novo-Gene. Wirklich neu sind sie aber nicht, sondern in nicht-funktionaler Form bereits latent (verborgen) vorhanden. Ihre latente Existenz in der DNA war unerwartet und widerspricht den gängigen Vorstellungen gradueller Evolution. Evolutionstheoretiker sind nun gezwungen, davon auszugehen, dass Genome Lagerstätten voller potenzieller Funktionen sind – eine Vorstellung, die eher mit einem vorausschauenden Schöpfer vereinbar ist.
Die Entstehung neuer proteincodierender Gene aus zufällig erzeugten DNA-Sequenzen ist statistisch eher unwahrscheinlich (Lau & Dill 1990). Das liegt daran, dass die Strukturform von Proteinen mit einer beliebigen Sequenz unspezifisch und ungeordnet ist; eine solche Struktur kann Amyloid-Plaques bei Alzheimer und neurodegenerativen Erkrankungen ähnlich sein. Eine zufällig erzeugte DNA-Sequenz würde also in der Regel nicht für funktionale Proteine codieren, sondern eher schädlich sein (Brown 2023). Deswegen suchten Evolutionstheoretiker die Entstehung neuartiger genetischer Information (neuer Gene) bisher in einem Prozess, der mit einer Genduplikation (Genverdopplung) startet. Anschließend muss eines der Duplikate (oder beide) durch Mutation verändert werden und sich durch Selektion in der Population durchsetzen. Die Genese von neuen Genen wäre damit nicht nur ein gradueller, sondern auch ein extrem langwieriger Prozess. Das Motto lautet: Natura non facit saltus – „Die Natur macht keine Sprünge“. Dies erklärt auch die Popularität der Darwin’schen Evolutionslehre.
In weniger als einem Jahrzehnt wurde diese Ansicht jedoch durch umfangreiche Indizien für das saltatorische (sprunghafte) Auftreten von neuen Genen in Frage gestellt (Borger 2020). Eine große Anzahl von Genen scheint ohne evolutionäre Vorgeschichte, sozusagen aus dem Nichts – de novo – entstanden zu sein. Natürlich entstehen Gene nicht wirklich aus dem Nichts. Unter einem de-novo-Gen versteht man vielmehr ein funktionales Gen, das zuvor funktionslos war. In der Evolutionsbiologie wird bereits dann von einem de-novo-Gen gesprochen, wenn es nur bei einer von zwei verwandten Arten auftritt – es wird dann postuliert, dass es evolutionär de novo entstanden ist. Das Neue ist also nicht das Gen an sich (eine DNA-Sequenz), sondern eine neu auftretende Funktion, ausgehend von einem zuvor (mutmaßlich) funktionslosen Gen.
De-novo-Gene kommen in vielen eukaryotischen Arten vor und codieren Proteine, die in vielen Geweben exprimiert werden und reich an Protein- und DNA-Bindungsdomänen sind. Anders ausgedrückt: Sie sind funktional, d. h. sie sind an den molekularbiologischen Wechselwirkungen in den Zellen beteiligt. Eine unerwartete Quelle genetischer Information liegt in den scheinbar nutzlosen Regionen, die lange Zeit als „Müllhalden“ („junk yards“) der Evolution interpretiert wurden. In einer aktuellen Arbeit in Nature Ecology & Evolution vermuten Evolutionstheoretiker, dass bei Menschen de-novo-Gene aus DNA-Abschnitten entstanden seien, die für scheinbar nutzlose RNA-Transkripte in Makaken codieren, nämlich sogenannte lange nicht-codierende RNA, lncRNA (An et al. 2023).
De-novo-Gene beim Menschen
Die Autoren beschreiben, wie sie 45 spezifisch menschliche de-novo-Gene entdeckten, also beim Menschen vorkommende funktionale Gene, für die bei Makaken keine Funktion bekannt ist. Sie identifizierten charakteristische U1-Elemente und RNA-Spleiß-verwandte Sequenzen, die für den RNA-Kernexport verantwortlich sind; in dieser Hinsicht unterscheiden sich die mRNAs von lncRNAs. Die lncRNAs haben alle ein funktionales U1-Element, das bei den mRNAs fehlt (An et al. 2023). Die Forscher wählten eines dieser Gene aus (ENSG00000205704), das in der Gehirnentwicklung exprimiert (ausgeprägt) wird. Damit wiesen sie experimentell nach, dass das Ausschalten oder die Überexpression des Gens in menschlichen embryonalen Stammzellen die neuronale Reifung von kortikalen Organoiden (d. h. ein in Kulturgefäßen gezüchtetes 3-dimensionales Gebilde aus neuronalen Zellen, die als Minimodell des Gehirns dienen) beschleunigt bzw. verzögert. Wenn das Gen in Mäuse übertragen und exprimiert wurde, entwickelten diese Gehirne mit einer höheren kortikalen Faltungsstruktur, die für die Gehirnmorphologie der menschlichen Großhirnrinde typisch ist (Brown 2023). Beim Menschen produzieren die funktionalen de-novo-Gene mRNAs, die den Zellkern aktiv verlassen, und die Proteine, für die sie codieren, werden ordnungsgemäß übersetzt und tragen direkt zur Entwicklung des menschlichen Gehirns bei (An et al. 2023). Wie die sprunghaften Umwandlungen von lncRNA-Gene in vollwertige Protein-Gene, die wir nur beim Menschen finden, zustande kommen, ist bisher völlig ungeklärt.
Die Entstehung voll funktionsfähiger Gene in einem Sprung wird als ein Alles-oder-Nichts-Typ der Emergenz verstanden, d. h. als ein plötzliches, unableitbares bzw. unvorhersehbares Ereignis, und entkräftet Theorien der allmählichen evolutionären Exaptation (Übernahme neuer Funktionen in einem neuen Zusammenhang). Aus diesem Grund wurde 2017 auch in der Genetik das Modell der Voranpassung („pre-adaptation“) aufgestellt, das die Präexistenz funktionaler Merkmale in bislang funktionslosen Genen und eine Alles-oder-Nichts-Entstehung zur Funktionalität beinhaltet (Wilson et al. 2017). Dieses Modell erklärt allerdings nichts, sondern ist nur eine alternative Beschreibung der Beobachtungen. Es bleibt die Frage: Wie kann Funktion bereits in ungenutzter „Junk-DNA“ vorhanden bzw. vorangepasst sein?
Genome werden zunehmend als große, dynamische und vorangepasste Reservoirs betrachtet, die neue Strukturen und Funktionen hervorbringen können. In diesen Reservoirs stecken also nach dieser Sicht latent neue Strukturen und Funktionen, die durch geringfügige Änderungen zur Ausprägung kommen können. Auf diese Weise soll Evolution nicht (nur) an alten Teilen „herumbasteln“, sondern nach den Vorstellungen der Evolutionsbiologen auch gleichsam neue Dinge erschaffen (Karger et al. 2018). Aber was heißt hier „neu“ genau? Schließlich ist die Bildung neuartiger funktionaler Gene aus nicht-codierender DNA aus Sicht der materialistischen (neo-)darwinistischen Sicht der Evolution, in der Zufallsmutationen und Selektion die einzigen bekannten Wirkprinzipien sind, kaum zu erwarten. Wie sollten bislang funktionslose Zufallssequenzen durch eine Anhäufung von Zufallsmutationen über Millionen von Jahren funktionsfähig werden? Ein solches Szenario wäre nicht nur aus empirischer, mathematischer und informationstechnischer Sicht, sondern auch aus evolutionärer (materialistischer) Sicht völlig unrealistisch. Die Situation stellt sich anders dar: Man kann heute davon ausgehen, dass in den Genom-Netzwerken der Lebewesen Voranpassungsmechanismen existieren. Das jedoch passt besser in den Rahmen eines intelligenten Designs. Die überraschende Entdeckung, dass neue Gene sprunghaft aus nicht-proteincodierenden Sequenzen hervorkommen können, deutet darauf hin, dass die DNA mit vorangepassten Sequenzen und nicht mit nutzlosem Müll ausgestattet sein könnte.
Deutung im Schöpfungsrahmen
Wie die neuen Entdeckungen in das Paradigma der Schöpfungswissenschaft passen, muss weiter untersucht werden. Es existiert durchaus die Möglichkeit, dass die lncRNA bei Makaken gar nicht funktionslos sind, sondern bisher unbekannte Funktionen im Zellkern haben, wie die U1-Sequenz zeigt, die sicherstellt, dass die betreffende lncRNA im Zellkern verbleibt. Im evolutionären Rahmen haben sich Makaken aus der Familie der Meerkatzenverwandten und Menschen vor grob 30 Millionen Jahren auseinanderentwickelt (vgl. Scholl 2023, Tab. 1). Funktionslose Sequenzen würden dies aufgrund der zufälligen Anhäufung von Mutationen so lange Zeit nicht unbeschadet überleben. Es ist also anzunehmen, dass die lncRNA-Gene bei Makaken funktional sind. Beim Menschen sind sehr ähnliche proteincodierende Gene für die Gehirnentwicklung ebenfalls funktional. Die evolutionäre Verwandtschaft von Menschen und Makaken wird wie üblich einfach unbewiesen vorausgesetzt, d. h. die menschlichen proteincodierenden Gene sollen in dieser Sichtweise aus lncRNA-Genen hervorgegangen sein, wie sie in Makaken vorgefunden werden. Die Beobachtungen sprechen jedoch nicht für die schrittweise Darwin’sche Evolution, wie sie immer noch in Schulen und Universitäten gelehrt wird. Die Entstehung von funktionalen Genen ausgehend von nicht-funktionalen Genen (also in diesem Sinne de novo, s. o.) passt hingegen besser zur Schöpfungslehre, weil man eine programmierte Situation annehmen kann, in der Gene durch geringfügige Änderungen neue, bisher nicht beobachtete Funktionen aufweisen können. Nur in diesem funktionalen Sinne sind die Gene wirklich neu.
Literatur
Borger P (2020) De Novo – Gene aus dem Nichts? Interpretationsfehler oder komplexes Genom? Stud. Integr. J. 22, 88–96.
An NA et al. (2023) De novo genes with an lncRNA origin encode unique human brain developmental functionality. Nature Ecology & Evolution 7, 264–278, https://www.nature.com/articles/s41559-022-01925-6.
Brown W (2023) Study Finds Human Gene Linked to Larger Brains Arose from Non-Protein Coding (“Junk”) DNA. https://www.resonancescience.org/blog/study-finds-human-gene-linked-to-larger-brains-arose-from-non-protein-coding-junk-dna; aufgerufen am 14,08.2023)
Karger A et al (2018) Variation and Novelty in Evolution:De Novo Genes arise and enable Protein Structural Innovation. Intelligent Systems for Molecular Biology Conference, Chicago. https://www.youtube.com/watch?v=_1WNiXr2XqY, Min. 15:03 – 15:30.
Lau KF & Dill KA (1990) Theory for protein mutability and biogenesis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 638–642.
Scholl B (2023) Beherrschen Schimpansen etwa doch Grammatik? W+W-Onlineartikel, vom 27.03.2023, https://www.wort-und-wissen.org/artikel/schimpansengrammatik/.
Wilson BA et al. (2017) Young genes are highly disordered as predicted by the preadaptation hypothesis of de novo gene birth. Nat. Ecol. Evol. 1, 0146, doi:10.1038/s41559-017-0146.
Autor dieser News: Peter Borger
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