Alte Proteine helfen bei der Entschlüsselung der Geheimnisse der menschlichen Evolution
Die Fähigkeit, alte DNA aus menschlichen Fossilien zu sequenzieren, hat unser Verständnis der menschlichen Evolution revolutioniert. Sie gab Aufschluss darüber, wie wir mit anderen menschlichen Populationen interagierten, wie zum Beispiel Neandertaler und Denisova-Menschen. Außerdem lieferte sie uns wertvolle Einblicke in die Beziehung zwischen unserer genetischen Ausstattung, zirkulierenden Krankheitserregern und evolutionärer Selektion. „Zum ersten Mal waren Forschende in der Lage, einige Fragen zur menschlichen Geschichte zu beantworten, indem sie phylogenetisch nützliche Biomoleküle aus unserer fernen Vergangenheit verwendeten“, so Frido Welker, ein Assistenzprofessor an der Universität Kopenhagen. Doch trotz dieser wissenschaftlichen Durchbrüche stößt auch die DNA an ihre Grenzen. „Das Problem mit der DNA ist, dass sie nicht sehr lange überlebt – nur einige zehntausend Jahre“, fügt Welker hinzu. „Zumindest aus evolutionärer Sicht bedeutet das, dass wir die menschliche Evolution durch ein kleines Fenster direkt erforschen können, ohne aus der Vergangenheit Rückschlüsse ziehen zu müssen.“ Um dieses Manko zu beheben, plädiert Welker für die Verwendung alter Proteine, die aus homininen Fossilien gewonnen wurden. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts HOPE hat er erfolgreich gezeigt, dass genau das möglich ist.
Das verräterische Protein
Die Idee, Proteine bei der Erforschung der Evolutionsgeschichte zu nutzen, entstand während früherer Arbeiten. Dabei fanden Welker und sein Team heraus, dass in alten Tierfossilien aufschlussreiche Proteinsequenzen erhalten sind. Während dieser Arbeit erkannte er, dass hominine Proteinsequenzen bei zuverlässiger Analyse möglicherweise phylogenetische Informationen bereithielten. „Da Proteine aus einer Aminosäuresequenz bestehen, die durch die proteinkodierenden DNA-Sequenzen im Genom festgelegt wird, können auch sie phylogenetisch informativ sein“, erklärt er. „Noch besser ist, dass diese Proteine weit über die Lebensspanne der alten DNA hinaus überleben.“ Im Rahmen des Projekts HOPE, das im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde, wollte Welker die Durchführbarkeit dieses Ansatzes anhand mehrerer homininer Fossilien, die jenseits der Erhaltungsgrenze alter DNA datieren, eindeutig nachweisen. „Aminosäuresequenzen präzise zu bestimmen erweist sich als schwierig. Dies gilt insbesondere für alte Proteine“, merkt Welker an. Die Forschenden sahen sich zum Beispiel mit der Problematik konfrontiert, dass diese alten Sequenzen oft verändert und fragmentiert sind und sich mit keiner der vorhandenen Referenzsequenzen vergleichen lassen. Zudem musste sich die Forschungsgruppe auch mit Proteinkontaminationen der Neuzeit auseinandersetzen. Diese können bei archäologischen Ausgrabungen sowie bei der anschließenden Handhabung – etwa während der Sammlung und Laboranalysen – auftreten.
Ein spannender Zeitraum der Evolution
Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickelte das Team neue chemische und rechnerische Ansätze. „Diese Ansätze waren sicherlich nicht perfekt. Dennoch gaben sie uns Zuversicht, dass die Sequenzen, die wir für die phylogenetische Analyse verwendeten, in den Fossilien endogen waren und wahrscheinlich die richtige Aminosäuresequenz repräsentierten“, ergänzt Welker. Der Ansatz hat funktioniert: „Wir konnten nachweisen, dass alte Proteine, die im Zahnschmelz erhalten geblieben sind, sowohl in gemäßigten als auch in tropischen Gebieten einen Zeitraum von mindestens zwei Millionen Jahren überlebt haben“, sagt er. „Das wiederum ermöglichte uns die Sequenzierung von Proteinen aus Tierarten der Urzeit, einem ausgestorbenen Menschenaffen und zwei ausgestorbenen Menschenarten – Homo erectus und Homo antecessor.“ Das Projekt HOPE stellte die Annahme in Frage, dass alte Proteine phylogenetisch uninteressant sind, und hat dadurch einen neuen Ansatz für die Untersuchung der menschlichen Evolution geliefert. Welker erweitert diesen Ansatz nun durch das Projekt PROSPER, das sich der Anwendung einiger der im Rahmen des Projekts HOPE durchgeführten Arbeiten auf die letzten eine Million Jahre der menschlichen Evolution widmet. „Dies ist eine wirklich spannende Periode der menschlichen Evolution, noch dazu eine, in der die Analyse alter Proteine einige wichtige biologische Lösungen liefern kann“, schließt Welker.
Schlüsselbegriffe
HOPE, Proteine, menschliche Evolution, Evolution, Fossilien, DNA, Proteinsequenzen, phylogenetisch
