Das Erbgut gibt Aufschluss über die evolutionäre Abstammung und codiert die Grundlagen für Krankheit und Gesundheit ebenso wie für einzigartige Merkmale. Im Großforschungsprojekt Zoonomia haben internationale Forschungsteams die vollständigen Genome von 240 Säugetierarten analysiert und verglichen. Die Ergebnisse zeigen, wie sich die Genome von Menschen und anderen Säugetieren im Laufe der letzten 100 Millionen Jahre entwickelt haben und welche Regionen verändert oder aber seit Jahrmillionen konserviert sind. Zudem eröffnen sie neue Einblicke, welche genetischen Veränderungen bei verschiedenen Arten zu außergewöhnlichen Eigenschaften geführt haben und welche Mutationen an der Entstehung von Krankheiten beteiligt sind.
Unser Genom besteht aus Milliarden Basenpaaren. Nur für einen winzigen Bruchteil davon ist bereits bekannt, welche Funktion die jeweiligen Abschnitte der DNA haben und welche Veränderungen im Code mit schädlichen Auswirkungen assoziiert sind. Als Marker der evolutionären Bedeutung gilt die Rate, mit der sich einzelne Basen und Basensequenzen im Laufe der Evolution verändern. „Basen, die bei allen Säugetieren unverändert sind, können Phänotypen prägen, die für die Gesundheit des Organismus wesentlich sind“, erklärt ein Forschungsteam um Matthew Christmas von der Uppsala Universität in Schweden. „Basen, die sich bei einigen Arten schnell weiterentwickeln oder sich nur bei Arten ändern, die ein adaptives Merkmal teilen, können Phänotypen prägen, die das Überleben in bestimmten Nischen unterstützen.“
Genomische Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Gemeinsam mit Forschungsteams von mehr als 60 Institutionen weltweit haben Christmas und sein Team im Rahmen des Projekts Zoonomia die Genome von 240 Säugetierarten sequenziert, analysiert und verglichen. Damit liefert Zoonomia die weltweit größte vergleichende Ressource für Säugetiergenome. In elf Artikeln in der Fachzeitschrift Science beschreiben die beteiligten Forschungsteams erste Ergebnisse der umfangreichen Analysen. „Die elf Artikel, die wir jetzt in Science veröffentlichen, liefern in ihrer Kombination eine enorme Menge an Informationen über die Funktion und Entwicklung von Säugetiergenomen“, sagt Christmas Kollegin Kerstin Lindblad-Toh. „Außerdem haben wir Daten gewonnen, die noch viele Jahre lang für Evolutionsstudien und die medizinische Forschung genutzt werden können.“
Ein Fokus der Analysen lag darauf, Abschnitte im Genom zu identifizieren, die bei möglichst vielen, ganz verschiedenen Säugetieren evolutionär konserviert sind. Diese Abschnitte, so die Hypothese der Forschenden, haben mit hoher Wahrscheinlichkeit wichtige Funktionen – sonst wären sie nicht über bis zu 100 Millionen Jahre der Evolution erhalten geblieben. Tatsächlich identifizierten die Forschenden mehr als 4500 Regionen, die bei 98 Prozent der 240 untersuchten Säugetierarten nahezu identisch sind – von Fledermäusen bis hin zu Walen. Bei den meisten dieser DNA-Abschnitte handelt es sich den Analysen zufolge um regulatorische Elemente. Diese enthalten nicht die Bauanleitung für Proteine, sondern bestimmen, wie das Genom abgelesen wird. „Wir schätzen, dass mindestens 10,7 Prozent des menschlichen Genoms evolutionär konserviert sind“, so die Autoren.
Gesundheitliche Bedeutung
Von einigen dieser uralten Abschnitte ist bereits bekannt, dass sie eine wichtige Rolle für unsere Gesundheit spielen. Bei vielen anderen ist die Funktion allerdings noch unklar. Eine Teilstudie des Projekts liefert erste Einblicke in die mögliche Bedeutung einer dieser Regionen. Dazu untersuchten Forschende das Genom von Menschen mit Medulloblastom, einem bösartigen Hirntumor bei Kindern. „Bei Patienten mit Medulloblastom haben wir viele neue Mutationen an evolutionär konservierten Stellen gefunden“, berichtet Christmas Kollegin Karin Forsberg-Nilsson. „Wir hoffen, dass die Analyse dieser Mutationen den Grundstein für neue Diagnosen und Therapien legen wird.“
In einer weiteren Teilstudie begaben sich Forschungsteams auf die Suche nach den genomischen Grundlagen außergewöhnlicher Merkmale bestimmter Tiere – darunter ein ausgeprägter Geruchssinn oder die Fähigkeit, Winterschlaf zu halten. „Es ist aufregend, dass wir jetzt ein Bild davon haben, welche Mutationen die Entwicklung bestimmter Merkmale bei diesen sehr unterschiedlichen Säugetieren gesteuert haben“, sagt Christmas. „Zum Beispiel haben wir bei Arten, die Winterschlaf halten, Basenabfolgen identifiziert, die mit einer außergewöhnlichen Fähigkeit zur zellulären Regeneration verbunden sind. Das könnte auch bei der Erforschung neuer Therapeutika helfen.“
Wichtig für den Artenschutz
Die Analysen belegen zudem, dass sich die Diversifizierung der Säugetiere bereits begann, als sie den Planeten noch mit Dinosauriern teilten. Schon lange bevor der Asteroideneinschlag vor rund 65 Millionen Jahren das Aussterben der Dinosaurier besiegelte, tummelten sich auf der Erde die Vorfahren zahlreicher noch heute existierender Säugetiergruppen. Auch für den Artenschutz sind die Ergebnisse von Bedeutung. „Unsere Ergebnisse können wichtige Informationen darüber liefern, ob bestimmte Säugetiere vom Aussterben bedroht sind – je nachdem, wie viel Variation sie in ihrem Genom haben“, erklärt Lindblad-Toh. „Diese Informationen können die Grundlage dafür bilden, wie man mit einer Art umgehen muss, um ihr Überleben zu sichern.“
Quellen: Matthew Christmas (Universität Uppsala, Schweden) et al., Science, doi: 10.1126/science.abn3943;
Nicole Foley (Texas A&M University, USA) et al., Science, doi: 10.1126/science.abl8189
KI-Sprachmodell analysiert und entwirft DNA-Sequenzen
