Was macht uns „Menschen“? Warum haben nur Menschen Sprache, Kunst und Technologie entwickelt, während Schimpansen, die uns genetisch am nächsten stehen, immer noch einen primitiven Lebensstil pflegen? Vor sechs Millionen Jahren trennten sich Menschen und Schimpansen im Stammbaum der Evolution. Seitdem hat das menschliche Genom mehr als 35 Millionen Varianten angesammelt. Aber wo ist unter diesen Variationen der Schlüssel verborgen, der unsere einzigartige Wahrnehmung wirklich prägt?

Menschliche Beschleunigerzonen: Evolutionäre „Überholspuren“ im Genom

Um das Geheimnis der menschlichen Intelligenz zu lüften, haben Wissenschaftler verschiedene Hypothesen aufgestellt:

Manche Menschen glauben, dass Menschen etwas Besonderes sind, weil wir einige einzigartige Gene entwickelt haben; andere weisen darauf hin, dass menschenspezifische Aminosäuresubstitutionen in bestimmten Schlüsselproteinen eine wichtige Rolle spielen könnten; und eine Art von Genomsegment namens „Human Accelerated Regions“ (HARs) hat besonders große Aufmerksamkeit erregt.

Diese HARs sind in den Genomen anderer Säugetiere normalerweise hochkonserviert, was bedeutet, dass ihre Funktionen sehr wichtig sind und nicht einfach verändert werden können;Auf dem Evolutionszweig des Menschen häuften sie jedoch schnell eine große Anzahl von Mutationen an, als ob sie plötzlich „aufs Gaspedal treten“ würden..

Dies deutet stark darauf hin, dass HARs eine Schlüsselrolle bei der Evolution des Gehirns und der Ausbildung einzigartiger menschlicher kognitiver Fähigkeiten spielen könnten.

Seit ihrem ersten Vorschlag im Jahr 2006 haben Wissenschaftler mehr als 3.000 HARs entdeckt, die durchschnittlich etwa 260 Basen lang sind.

Die meisten dieser Fragmente kodieren nicht für Proteine, sondern fungieren als Verstärker, wie „Regisseure“, und steuern die Expressionsintensität anderer Gene. Es gibt Hinweise darauf, dass viele HARs eng mit der Gehirnentwicklung zusammenhängen. Doch welche HARs die „Kernmotoren“ sind, die die Entwicklung der menschlichen Kognition wirklich vorantreiben, ist immer noch ein ungelöstes Rätsel.

Genomqualitätsinspektoren: Wie beeinflussen NMD-Signalwege die Gehirnentwicklung?

Kürzlich konzentrierte sich eine überzeugende Studie auf einen Signalweg namens NMD (nonsense-mediated RNA degradation). Man kann sich den NMD-Signalweg als „molekularen Qualitätsprüfer“ innerhalb der Zelle vorstellen. Seine Hauptaufgabe besteht darin, abnormale RNA-Moleküle mit vorzeitigen Stoppcodons zu identifizieren und zu entfernen und so die Produktion falscher Proteine ​​zu verhindern.

Die Bedeutung dieses Signalwegs liegt auf der Hand: Er gewährleistet nicht nur die Genauigkeit der Genexpression, sondern spielt auch eine Schlüsselrolle bei der neuronalen Entwicklung und neuronalen Funktion. Vor diesem Hintergrund spekulieren Wissenschaftler, dass einige HARs im NMD-Signalweg versteckt sein könnten und dass sie an der Entwicklung einzigartiger kognitiver Eigenschaften des Menschen beteiligt sein könnten.

Das Forschungsteam führte eine eingehende Analyse möglicher Zusammenhänge zwischen 24 Schlüsselgenen im NMD-Signalweg und 3171 bekannten HARs durch. Die Ergebnisse waren spannend: Sie fanden heraus, dass das NMD-Schlüsselgen SMG6 zwei wichtige HARs enthält: HAR53 und HAR123.

Das SMG6-Gen kodiert für eine Endonuklease, die eine Rolle bei der Differenzierung neuronaler Vorläuferzellen (eine Art undifferenzierter multipotenter oder multipotenter Zellen) in verschiedene Arten von Nervenzellen spielt.

Durch funktionelle Experimente förderte HAR123 die Bildung neuronaler Vorläuferzellen erheblich, während das andere HAR53 nur geringe Auswirkungen hatte.

Infolgedessen stach HAR123 erfolgreich hervor und wurde als Schlüsselfragment angesehen, das die Entwicklung des menschlichen Gehirns vorantreiben könnte.

HAR123: Das „Schlüsselfragment“, das den Sprung in der menschlichen Erkenntnis vorantreibt

Obwohl HAR123 bei Säugetieren hoch konserviert ist, hat dieses Segment seit der Divergenz zwischen Menschen und Schimpansen eine schnelle und bedeutende Entwicklung durchgemacht, wobei sich 9 Nukleotidunterschiede ansammelten. Obwohl diese Veränderungen klein erscheinen mögen, haben sie weitreichende Auswirkungen.

Erstens kann HAR123 als Verstärker nicht nur die Bildung neuronaler Vorläuferzellen fördern, sondern, was noch wichtiger ist, das Verhältnisverhältnis zwischen Neuronen und Gliazellen fein regulieren.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da das richtige Gleichgewicht zwischen Neuronen, die hauptsächlich für die Informationsübertragung verantwortlich sind, und Gliazellen, die Unterstützung und Schutz bieten, für die Aufrechterhaltung höherer Gehirnfunktionen von grundlegender Bedeutung ist.

Wissenschaftler fanden insbesondere heraus, dass Mäuse mit HAR123-Mangel erhebliche Defizite in der kognitiven Flexibilität aufwiesen: Sie konnten erste Regeln erfolgreich erlernen, hatten jedoch Schwierigkeiten, sich an Änderungen der Regeln anzupassen.

Diese flexible Anpassungsfähigkeit ist ein wichtiger Teil der fortgeschrittenen menschlichen Kognition. Weitere mechanistische Studien ergaben, dass der Verlust von HAR123 das normale Verhältnis von Neuronen zu Gliazellen im Hippocampus stört, einer wichtigen Gehirnregion, die für die Regulierung von Lernen, Gedächtnis und kognitiver Flexibilität verantwortlich ist.

Zweitens weist HAR123 eine erhebliche Speziesspezifität auf.

Die menschliche Version von HAR123 förderte die Bildung neuronaler Vorläuferzellen deutlich besser als ihr Schimpansen-Homolog, und ihre Enhancer-Aktivität war in den Vorderhirnregionen stärker ausgeprägt.

Im Gegensatz dazu beeinflusst die Schimpansenversion von HAR123 hauptsächlich die Entwicklung des Hinterhirns. Dieser räumliche Unterschied in den Ausdrucksmustern dürfte eine wichtige Grundlage für die Entstehung des einzigartigen Funktionsmusters des menschlichen Gehirns sein.

Darüber hinaus steht HAR123 auch in engem Zusammenhang mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen.

Die Löschung der 17p13.3-Genomregion, in der sich diese Sequenz befindet, kann zu seltenen neurologischen Entwicklungsstörungen wie dem Miller-Dieker-Syndrom führen.

Gleichzeitig wurde nachgewiesen, dass ein Ungleichgewicht im Verhältnis von Neuronen zu Gliazellen eng mit neurologischen Entwicklungskrankheiten wie Autismus und Schizophrenie sowie neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit zusammenhängt.

Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass HAR123 nicht nur für die normale neurologische Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist, sondern möglicherweise auch an der Entstehung und Entwicklung neurologischer Erkrankungen beteiligt ist.

Die Untersuchung von HAR123 liefert klare und aussagekräftige Beweise für das Verständnis der Evolution der menschlichen Kognition und konstruierte erstmals eine vollständige Kette von der Gensequenz bis zum fortgeschrittenen kognitiven Verhalten.

Vielleicht sind es diese subtilen Veränderungen, die in der „dunklen Materie“ des Genoms verborgen sind und die im Stillen die einzigartige Denkweise des Menschen und den Prozess der Zivilisation prägen.

Die Entdeckung von HAR123 ist nur ein kleiner Schritt auf dem Weg der Menschheit, ihre eigenen Geheimnisse zu erforschen. In Zukunft werden nach und nach weitere verborgene Genom-„Codes“ enthüllt, die uns helfen, dem Geheimnis der Gehirnevolution näher zu kommen.

Referenzen

[1] Tan K, Higgins K, Liu Q, et al. Ein uralter Verstärker, der sich in der menschlichen Abstammungslinie schnell weiterentwickelt, fördert die neuronale Entwicklung und die kognitive Flexibilität[J]. Science Advances, 2025, 11(33): eadt0534.

[2] Pollard KS, Salama SR, Lambert N, et al. Ein RNA-Gen, das während der kortikalen Entwicklung exprimiert wurde, entwickelte sich beim Menschen schnell weiter[J]. Nature, 2006, 443(7108): 167-172.

Planung und Produktion

Produziert von Popular Science China

Autor丨Jiang Xuan PhD in Biologie

Produzent | China Popular Science Expo

Herausgeber: Zhang Yinuo

Rezensent: Xu Lai, Zhang Linlin