PLOS Biology

Werden evolutionäre Veränderungen der Genexpression hauptsächlich durch natürliche Selektion oder durch zufällige Kräfte bestimmt? Es ist etwa 150 Jahre her, dass Charles Darwin vorschlug, dass sich Organismen durch den Prozess der natürlichen Selektion an ihre Umwelt anpassen, doch die Debatte tobt immer noch, insbesondere auf molekularer Ebene. Die Darwinsche Selektion wurde 1983 durch die neutrale Theorie der molekularen Evolution nach Kimura in Frage gestellt, die besagt, dass die meisten Unterschiede in den DNA- (Nukleotid-) und Protein- (Aminosäure-) Sequenzen innerhalb und zwischen den Arten nur eine geringe oder gar keine selektive Wirkung haben und dass diese Unterschiede durch überwiegend zufällige Prozesse entstehen. Mutationen auf der Ebene der Nukleotide treten zufällig und regelmäßig auf. Einige von ihnen überleben die Generationen und führen zu „fixierten“ evolutionären Veränderungen zwischen den Arten. Zwei potenzielle Mechanismen können zur Fixierung einer bestimmten Veränderung führen: die natürliche Selektion, die Veränderungen begünstigt, die einen Selektionsvorteil bieten, und stochastische (zufällige) Ereignisse wie die genetische Drift (die zufälligen Schwankungen der Häufigkeit von Genotypen, die in kleinen Populationen von Generation zu Generation auftreten).

DNA-Mutationen können zu Veränderungen in der Genexpression führen, von denen einige einem Organismus einen Selektionsvorteil bieten und daher durch natürliche Selektion fixiert werden können. Da die Variation jedoch auf der Ebene des Genotyps entsteht, während die Selektion weitgehend auf der Ebene des Phänotyps (d. h. der physischen Manifestation des Genotyps) stattfindet, kann man davon ausgehen, dass die Selektion auf der Ebene der DNA-Sequenz und damit auch auf der Ebene der Genexpression weniger offensichtlich ist. Die Microarray-Technologie hat es ermöglicht, die Expressionsniveaus von Tausenden von Transkripten (die RNA-Kopien der DNA, die in Aminosäuresequenzen übersetzt werden) systematisch zu untersuchen und die Frage zu stellen, ob die meisten Änderungen der Genexpression, die während der Evolution zwischen den Arten festgelegt wurden, auf selektive oder stochastische Prozesse zurückzuführen sind.

Um diese Frage zu untersuchen, analysierten Philipp Khaitovich und Kollegen die beobachteten Transkriptomunterschiede zwischen Primaten- und Mäusespezies sowie zwischen verschiedenen Gehirnregionen innerhalb einer Art. Das Team analysierte zunächst die Expressionsniveaus von etwa 12.000 Genen im präfrontalen Kortex verschiedener Primaten, einschließlich des Menschen. Wenn evolutionäre Veränderungen durch Zufall und nicht durch natürliche Auslese verursacht werden, akkumulieren sie sich als Funktion der Zeit und nicht als Funktion von physischen oder Verhaltensänderungen im Organismus. Und genau das fanden die Autoren heraus: Die Veränderungen in der Genexpression zwischen den Arten verliefen linear mit der Zeit, was darauf hindeutet, dass sich die Genexpression in den Gehirnen von Primaten größtenteils durch Zufallsprozesse entwickelte, die selektiv neutrale oder biologisch unbedeutende Veränderungen einführten.

Nach der neutralen Evolutionstheorie bestimmen dieselben Kräfte die Evolutionsrate sowohl innerhalb als auch zwischen den Arten, da auf beiden Ebenen ähnliche Zufallsprozesse am Werk sind. Folglich sollten sich Gene, die innerhalb einer Art stärker variieren, mit größerer Wahrscheinlichkeit auch zwischen den Arten verändern. Beim Vergleich der Expressionsniveaus von Genen entsprechend ihrer Variation innerhalb des Menschen zeigten die Autoren, dass sich Gene mit hoher Variation beim Menschen deutlich schneller zwischen den Arten verändern als Gene mit geringer Variation beim Menschen. Die Autoren verglichen auch die bei Genen beobachteten Veränderungen mit denen von Pseudogenen (Gene, die im Laufe der Evolution eine Mutation erleiden, die sie funktionsunfähig macht) und fanden keinen signifikanten Unterschied zwischen den beiden, was wiederum darauf hindeutet, dass die meisten Expressionsveränderungen keine funktionelle Bedeutung haben.

Während ihre Analyse eine Rolle der natürlichen Selektion nicht ausschließen kann, sind alle Ergebnisse mit einem neutralen Modell der Transkriptomevolution vereinbar. Das bedeutet, dass die meisten Unterschiede in der Genexpression innerhalb und zwischen den Arten keine funktionellen Anpassungen, sondern selektiv neutral sind und dass wir nicht in der Lage sein werden, Artenunterschiede auf der Grundlage von Variationen in der Genexpression im Allgemeinen zu erklären.

Neben der Untersuchung von Unterschieden in der Genexpression in einem bestimmten Gewebe zwischen den Arten erörtern die Autoren auch die Evolution verschiedener Gewebe innerhalb einer Art. Das menschliche Gehirn besteht aus Regionen, die sich in Funktion und Histologie (mikroskopische Struktur) unterscheiden. Jede dieser Regionen hat zu einem bestimmten Zeitpunkt in unserer evolutionären Vergangenheit einen funktionellen oder histologischen Unterschied erworben, der sie von ihren Schwesterregionen abgrenzt. Die Autoren zeigen, dass das Ausmaß der Veränderungen zwischen den Regionen mit den nach anderen Methoden geschätzten Zeiten der Gewebedivergenz korreliert. Wenn dieser Befund auch für andere Gewebe innerhalb und außerhalb des Gehirns gilt, könnte er eine Methode zur Rekonstruktion der Evolution von Geweben innerhalb einer Spezies bieten.