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Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der University of Pennsylvania – die bisher umfangreichste Untersuchung der Laktase-Persistenz in geografisch unterschiedlichen Populationen von Afrikanern – untersuchte die genetischen Ursprünge dieses Merkmals und unterstützt die Idee, dass die Fähigkeit, Milch zu verdauen, eine starke Selektionskraft in einer Reihe von afrikanischen Populationen war, die Rinder züchteten und deren frische Milch konsumierten.

Die Forschungsarbeiten wurden von Alessia Ranciaro, einer Postdoktorandin in der Abteilung für Genetik der Perelman School of Medicine in Penn, und Sarah Tishkoff, einer Penn Integrates Knowledge Professorin, die in der Abteilung für Genetik der Penn Medicine und der Abteilung für Biologie der Penn Arts and Sciences tätig ist, geleitet.

Die Arbeit wird am 13. März im American Journal of Human Genetics veröffentlicht.

Vorangegangene Forschungen hatten gezeigt, dass Nordeuropäer und Menschen mit nordeuropäischen Vorfahren sowie Populationen aus Afrika, der arabischen Halbinsel und Zentralasien mit einer Tradition der Frischmilchproduktion und des Milchkonsums das Enzym Laktase bis ins Erwachsenenalter weiter exprimieren. Einige dieser früheren Studien hatten den genetischen Ursprung dieses Merkmals bei Europäern auf eine bestimmte Mutation zurückgeführt, die die Expression des Gens reguliert, das für die Laktase kodiert. Im Jahr 2007 untersuchten Tishkoff, Ranciaro und Kollegen in einer Studie afrikanische Populationen und fanden drei zusätzliche genetische Varianten, die mit der Laktasepersistenz in Verbindung gebracht wurden und die zuvor noch nicht identifiziert worden waren.

„Aber diese Varianten erklären nicht vollständig, warum einige Afrikaner in der Lage waren, Milch zu verdauen“, sagte Ranciaro.

Um diese offensichtlichen Diskrepanzen zwischen dem Genotyp, der genetischen Grundlage eines Merkmals, und dem Phänotyp, dem Merkmal selbst, in Einklang zu bringen, führte Ranciaro zusammen mit Kollegen Feldstudien in oft abgelegenen Gebieten Kenias, Tansanias und des Sudan durch, um Blutproben zu sammeln und einen Laktosetoleranztest bei Menschen mit unterschiedlichem ethnischen Hintergrund durchzuführen.

„Wir wollten so viele und so unterschiedliche Bevölkerungsgruppen wie möglich untersuchen“, sagte Ranciaro. „

Die Penn-Forscher arbeiteten mit afrikanischen Kooperationspartnern, lokalen Bezirksämtern und Stammesführern zusammen, um die Studie bekannt zu machen und Freiwillige zu rekrutieren.

„Dies war ein sehr anspruchsvoller Feldtest in abgelegenen Regionen“, sagte Ranciaro. „Wir haben darauf geachtet, dass die Menschen verstehen, warum wir diese Studie durchführen, und dass sie sich für den Test mindestens eine Stunde Zeit nehmen müssen.“

Der Test zeigt, ob jemand die Fähigkeit hat, Laktose in Glukose und Galaktose zu verdauen. Die Teilnehmer müssen über Nacht fasten, ihren Blutzucker messen lassen, dann ein süßes Getränk trinken, das die Laktose von ein bis zwei Litern Kuhmilch enthält, und anschließend ihren Blutzucker in bestimmten Abständen messen lassen.

Um nach genetischen Variationen zwischen den Fähigkeiten der Populationen, Milch zu verdauen, zu suchen, sequenzierte das Team drei genomische Regionen, von denen man annimmt, dass sie die Aktivität des für Laktase kodierenden LCT-Gens bei 819 Afrikanern aus 63 verschiedenen Populationen und 154 Nicht-Afrikanern aus neun verschiedenen Populationen in Europa, dem Nahen Osten und Zentral- und Ostasien beeinflussen. Außerdem untersuchten sie die Ergebnisse des Laktosetoleranztests bei 513 Personen aus 50 Populationen in Ostafrika.

Ihre Sequenzierungs- und Phänotypisierungsbemühungen bestätigten den Zusammenhang zwischen der Laktasepersistenz und drei bekannten Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), d. h. Stellen, an denen die DNA-Sequenz in nur einem „Buchstaben“ variiert. Sie identifizierten jedoch auch zwei neue SNPs, die mit dem Merkmal in Verbindung stehen und sich in Regionen befinden, von denen man annimmt, dass sie die Expression des Laktase-Gens regulieren.

Ihre Analyse ergab starke Hinweise auf eine kürzlich erfolgte positive Selektion, die sich auf mehrere Varianten auswirkt, die mit der Laktasepersistenz in afrikanischen Populationen in Verbindung stehen, wahrscheinlich als Reaktion auf die kulturelle Entwicklung des Pastoralismus. Die ausgeprägten geografischen Muster, in denen diese Varianten auftraten, korrelieren in vielen Fällen mit historischen menschlichen Migrationen, Vermischungen zwischen Populationen sowie der Verbreitung von Rindern, Kamelen oder Schafen.

So fanden sie beispielsweise die mit der Laktasepersistenz bei Europäern assoziierte Variante T-13910 in zentral- und nordafrikanischen Hirtengruppen, was darauf hindeutet, dass sich diese Gruppen in der Vergangenheit mit einer nichtafrikanischen Bevölkerung vermischt haben könnten. Das Alter dieser genetischen Mutation wird auf 5.000-12.300 Jahre geschätzt, was mit den Anfängen der Domestizierung von Rindern in Nordafrika und im Nahen Osten zusammenfällt. Und eine Variante, G-13915, die in hoher Frequenz auf der Arabischen Halbinsel gefunden wurde und auch im nördlichen Kenia und im nördlichen Sudan vorkommt, datiert auf etwa 5.000 Jahre vor heute, etwa zu der Zeit, als archäologische Beweise darauf hindeuten, dass Kamele in der Region domestiziert wurden.

Eine weitere Variante, G-13907, wurde in den nördlichen Teilen des Sudan und Kenias sowie in Äthiopien gefunden. Die Forscher vermuten, dass die Mutation in kuschitischen Populationen in Äthiopien entstanden sein könnte, die später in den letzten 5.000 Jahren nach Kenia und in den Sudan eingewandert sind.

Eine weitere Variante, C-14010, wurde in Tansania und Kenia sowie im südlichen Afrika beobachtet. Es wird angenommen, dass diese Variante vor 3.000 bis 7.000 Jahren entstanden ist, ein Zeitpunkt, der mit der Migration von Hirten aus Nordafrika nach Ostafrika übereinstimmt. Die Analyse der Forscher legt nahe, dass sich diese Variante erst in jüngerer Zeit, vielleicht erst in den letzten 1.000 Jahren, im südlichen Afrika verbreitet hat.

„Wir beginnen, ein Bild der konvergenten Evolution zu zeichnen“, sagte Tishkoff. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Mutationen an verschiedenen Orten entstehen, die unter Selektion stehen und zu hohen Frequenzen aufsteigen und dann durch Migration in neue Gebiete und neue Populationen wieder eingeführt werden.“

Auch mit den neuen Varianten, die das Penn-Team identifiziert hat, gab es immer noch Muster, die die genetischen Daten nicht erklären konnten. Bei einigen Gruppen, die offenbar in der Lage waren, Milch zu verdauen, fehlten jegliche genetischen Anzeichen für diese Fähigkeit. Ein Beispiel dafür sind die Hadza, von denen fast die Hälfte das Merkmal der Laktase-Persistenz aufwies.

„Es ist sehr gut möglich, dass es noch andere Varianten gibt, vielleicht in Regionen des Genoms, die wir noch nicht untersucht haben“, sagte Tishkoff.

Eine andere Möglichkeit ist, dass kommensale Bakterien im Darm dem Menschen bei der Milchverdauung helfen könnten. Das Team untersucht nun die Darmbakterien von Afrikanern, um herauszufinden, ob dies der Fall sein könnte.

Zu den weiteren Koautoren der Studie gehören Michael C. Campbell, Jibril B. Hirbo und Wen-Ya Ko von der Abteilung für Genetik der Penn University, Alain Froment vom Musée de l’Homme in Paris, Paolo Anagnostou von der Universita‘ La Sapienza und dem Istituto Italiano di Antropologia in Rom, Maritha J. Kotze von der Universität Stellenbosch in Südafrika; Muntaser Ibrahim von der Universität Khartum; Thomas Nyambo von der Muhimbili University of Health and Allied Sciences in Tansania; und Sabah A. Omar vom Kenya Medical Research Institute.

Tishkoff wird diese Arbeit und andere Studien zur genetischen Variation in Afrika auf der Tagung „Evolution of Modern Humans: From Bones to Genomes“ (Von Knochen zu Genomen) vom 16. bis 18. März sprechen.