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Genomische Prägung und die Vererbung intellektueller Fähigkeiten


Vom Vater hab ich die Statur,



des Lebens ernstes Führen,



vom Mütterchen die Frohnatur



und Lust zu fabulieren.



Johann Wolfgang von Goethe


Nicht nur der Dichterfürst machte sich so seine Gedanken über die wundersamen Wege der Vererbung – das Suchen nach Ähnlichkeiten mit Eltern und anderen Familienmitgliedern ist ein allseits beliebtes Gesellschaftsspiel. Die mathematischen Regeln kennen wir seit Gregor Mendel (1822 bis 1884) und die zellbiologischen Grundlagen seit Mitte dieses Jahrhunderts.

Das menschliche Erbgut ist in 46 Chromosomen untergliedert, die paarweise auftreten, wobei eines der beiden Exemplare jeweils von einem Elternteil stammt. Dieser genau hälftige Beitrag der Erbmasse von Mutter und Vater ist unverrückbar. Die Lostrommel der Vererbung wird dagegen vorher gerührt: bevor die Befruchtung, also die Verschmelzung von Eizelle und Spermium, stattfindet. Die Keimzellen der Eltern enthalten die Chromosomen nämlich nur in einfacher Ausfertigung – und damit ist von einer Erbanlage stets nur entweder die großmütterliche oder die großväterliche Version vorhanden. Die Auswahl zwischen beiden geschieht beim sogenannten Crossing-over während der Reifeteilung nach dem Zufallsprinzip.

Daß Vater und Mutter dem Nachkommen jeweils einen vollständigen Chromosomensatz mitgeben, heißt freilich nicht, daß ihre gleichverteilte Erbmasse auch gleichwertig zum Erscheinungsbild (Phänotyp) des Sprößlings beiträgt. Bereits seit den Anfängen der Genetik kennt man dominante und rezessive Eigenschaften. Erstere setzen sich schon durch, wenn sie nur von einem Elternteil ererbt werden – für braune Augen genügt zum Beispiel, daß eine der beiden Versionen (Allele) des Gens für die Augenfarbe für das Merkmal braun codiert. Rezessive Erbanlagen prägen sich dagegen erst aus, wenn sie doppelt vorhanden sind. Dadurch können sich viele schwere Erbkrankheiten im menschlichen Erbgut halten; denn die Existenz eines defekten Allels ist harmlos, und die Krankheit tritt erst auf, wenn durch Zufall oder Inzucht zwei zusammentreffen.

In den letzten Jahren hat sich freilich abgezeichnet, daß die Erbanlagen nicht nur von der Zufälligkeit des Crossing-over und dem Aufeinandertreffen dominanter und rezessiver Erbfaktoren abhängen, sondern in manchen Fällen auch von der Vorgeschichte der Gene, durch die diese gleichsam geprägt sein können (siehe Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1990, Seiten 82 bis 90). Ausgangspunkt war eine überraschende Entdeckung, die Azim Surani 1984 am Institut für Tierphysiologie in Cambridge gemacht hat. Er wollte herausfinden, warum manipulierte Mäuseembryonen, die aus einer unbefruchteten Eizelle hervorgegangen waren, nicht bis zur Geburtsreife überlebten. Deshalb tauschte er mit mikrochirurgischen Methoden in normal befruchteten Mäuse-Eizellen einen der zwei noch nicht verschmolzenen Vorkerne, die jeweils einen einfachen Chromosomensatz von einem Elternteil enthalten, gegen einen aus einer anderen Oocyte aus. Wie er feststellte, fand eine ungestörte Entwicklung der manipulierten Eier nur statt, wenn ein männlicher und ein weiblicher Chromosomensatz erhalten blieben; stammten beide dagegen vom gleichen Geschlecht, überlebten die Embryonen meist nur wenige Teilungsschritte und erreichten niemals die Geburtsreife.

Surani schloß daraus, daß manche Gene eine Markierung tragen, die anzeigt, ob sie aus einer Eizelle oder aus einem Spermium stammen. (Die Kennzeichnung, deren genauer chemischer Mechanismus noch nicht sicher geklärt ist, muß allerdings reversibel sein, da ein mütterliches Gen in der nächsten Generation in einem Spermium landen kann und umgekehrt ein väterliches in einer Eizelle.) Das Programm der Embryonalentwicklung sieht demnach vor, daß in bestimmten Situationen einzig das väterliche, in anderen das mütterliche Gen aktiv ist. Bei manipulierten Embryonen, deren Chromosomensätze beide vom selben Geschlecht stammen, fallen demnach wichtige Schritte in der Entwicklung aus, so daß der Embryo abstirbt.

Tatsächlich stellte sich in der Folgezeit heraus, daß bestimmte Gene ausschließlich in der Eizelle, andere hingegen im Spermium quasi die Aufschrift "Nicht benutzen!" verpaßt bekommen, so daß in bestimmten Phasen der Embryonalentwicklung nur das Allel des jeweils anderen Elternteils abgelesen wird. Bis heute wurden insgesamt 15 Gene mit einer solchen Prägung in Mäusen und auch einige im menschlichen Erbgut identifiziert; doch gibt es vermutlich wesentlich mehr. Ihr Fehlen hat zumeist schwere Störungen zur Folge bis hin zu unausweichlichen Krebserkrankungen.

Da es bisher nicht gelingt, die Prägung einzelner Gene gezielt zu beeinflussen, kann man ihren Sinn nur mit einer verfeinerten Version der erwähnten Radikalmethode (dem völligen Ausschalten des Erbguts eines Elternteils) zu enträtseln versuchen. Entsprechend erzeugten Barry Keverne und seine Mitarbeiter am Zoologischen Institut der Universität Cambridge gemischte Embryonen, in denen nur einige Zellen die doppelte Ausfertigung des Erbguts eines Elternteils enthielten, während die anderen über zweigeschlechtliche Chromosomenpaare verfügten ("Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA", Band 92, Seite 10782). Solange das Genom von mindestens der Hälfte der Zellen im anfänglichen Verband normal zusammengesetzt war, ließen sich die Hybridembryonen tatsächlich zu voll entwickelten Feten heranziehen. Diese wiesen jedoch schwere Mißbildungen auf, die in bemerkenswerter Weise von der Anzahl und Herkunft der nicht normalen Zellen abhingen. Überwog der Anteil mütterlicher Chromosomen, hatten die Mäuse übermäßig große Köpfe und zu kleine Körper – und umgekehrt.

Diese entgegengesetzte Wirkungstendenz mütterlicher und väterlicher Erbanlagen läßt sich soziobiologisch als Interessenkonflikt zwischen den elterlichen Genen deuten. Die des Vaters arbeiten demnach darauf hin, ein möglichst großes und damit überlebensfähiges Junges zu erzeugen, ohne die Ressourcen der Mutter zu schonen; denn deren künftige Kinder könnten ja von einem anderen Männchen stammen. Die mütterlichen Gene hingegen wären bestrebt, ein weniger kräftezehrendes Kind hervorzubringen, das zum Ausgleich über mehr Intelligenz verfügt.

Diese 1991 von David Haig an der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) aufgestellte Hypothese wurde von manchen bereits als Erklärung der genomischen Prägung angesehen. Untersuchungen zur Mutationsgeschwindigkeit der geprägten Gene (die im Falle eines Konflikts hoch sein sollte) lieferten jedoch keine Bestätigung.

Die auffallenden Unterschiede in der Kopf- und Gehirngröße brachten Surani und Keverne auf die Idee nachzuforschen, in welchen Teilen des Gehirns sich die Zellen mit dem rein mütterlichen oder rein väterlichen Erbgut ansiedelten. Dazu versahen sie die manipulierten Embryonalzellen mit genetischen Markern, die es erlaubten, deren Nachkommen später in Hirnschnitten zu identifizieren. Das Ergebnis war überraschend (Bild): Unabhängig vom Anteil der Zellen mit einer Überdosis mütterlicher Chromosomen in dem ursprünglichen Mischembryo dominierten ihre Nachkommen stets dieselben Hirnbereiche, nämlich (bei der erwachsenen Maus) diejenigen Areale, die für höhere Funktionen wie Lernen und Gedächtnis zuständig sind; aus anderen Hirnregionen, die einfache Instinkte wie Futter- oder Sexualtrieb steuern, waren sie hingegen praktisch ausgeschlossen. Die exakt entgegengesetzte Verteilung fand sich bei den rein väterlichen Zellen.

Nun ist man leicht versucht, dieses Ergebnis von Mäusen auf Menschen zu übertragen und zu spekulieren, daß die mütterlichen Gene für die höheren kognitiven Fähigkeiten (etwa Goethes Fabulierlust) und die väterlichen für die niederen Instinkte zuständig seien. In der Tat ist Kevernes Forschungsgebiet eigentlich die Evolution kognitiver Fähigkeiten bei den Primaten. Er bezeichnet die Gehirnbereiche, die mit mütterlichen Entwicklungsgenen in Verbindung zu stehen scheinen und komplexe kognitive Aufgaben erfüllen, als das "geschäftsführende Gehirn" und weist darauf hin, daß dieses sich in der Evolution des Menschen am stärksten ausgedehnt und weiterentwickelt hat. Dem stellt er das "emotionale Gehirn" gegenüber, das mit väterlichen Genen zusammenhängt, überwiegend für von Hormonen gesteuerte Instinkthandlungen zuständig ist und sich in der Evolution des Menschen eher zurückgebildet hat ("Proceedings of the Royal Society B", Band 262, Seiten 689 bis 696).

Legt man diese Aufteilung des Gehirns, die sich an der Entwicklungsgenetik der geprägten Gene orientiert, ei-ner Vergleichsuntersuchung verschiedener sozialer Charakteristika von Primatengruppen zugrunde, so ergeben sich bemerkenswerte Zusammenhänge. Zum Beispiel gilt: Je größer die Gruppen sind, die eine Primatenart bildet, desto kleiner ist ihr emotionales Gehirn. Merke: zuviel Instinktverhalten ist schlecht für die Politik. Dafür legt mit dem Umfang der Gruppe das geschäftsführende Gehirn an Größe zu, übernimmt also die den Gefühlen entzogene Steuerfunktion.

Auch das Liebesleben ist auf dem Wege zu vernunftbegabteren Lebewesen teilweise der Kontrolle der Hormone entzogen und dem bewußten Denken unterstellt worden. Dafür spricht, daß die Größe des geschäftsführenden Gehirns mit der Zeitspanne der Paarungsbereitschaft korreliert. Diesem Umstand verdanken wir es, daß wir unsere Triebe (im Normalfall) bewußt kontrollieren und in bestimmte Bahnen zu lenken vermögen.

Ob allerdings, wie die Journalistin Gail Vines kürzlich im "New Scientist" behauptete, Väter bei der Vererbung "den kürzeren ziehen", ob also die genomische Prägung nicht nur die Entwicklungsmuster in der Evolution, sondern auch die Weitergabe konkreter intellektueller Fähigkeiten von einer Generation zur nächsten merklich beeinflußt, ist eher fraglich ("New Scientist", 3. Mai 1997, Seiten 34 bis 39). Typisch menschliche Kognitionsleistungen wie Sprache, Vorausplanung und Kreativität hängen von einem komplizierten Netzwerk von Genen ab, die nur zum Teil elterlich geprägt sind. Vor allem aber läßt sich keine zwingende logische Verbindung herstellen zwischen der Lokalisierung von Zellen, die eine abnorme doppelte Dosis aller (also wahrscheinlich Hunderter von) mütterlich oder väterlich geprägten Gene enthalten, und der Funktion jedes einzelnen davon in normalen Gehirnzellen.

Den genannten Verallgemeinerungen scheinen auch Befunde zu widersprechen, die David H. Skuse und neun andere Wissenschaftler von vier verschiedenen britischen Instituten jüngst publizierten. Die Forscher führten umfassende neuropsychologische Untersuchungen an Mädchen und Frauen durch, die nur über ein X-Chromosom verfügen und deshalb unter Kleinwüchsigkeit sowie Defiziten im sozial-kognitiven Bereich leiden – eine als Turner-Syndrom bekannte Störung. Dabei stellte sich heraus, daß Patientinnen, deren einziges X-Chromosom vom Vater stammt, sehr viel weniger in ihrem Vermögen zu sozialer Interaktion beeinträchtigt sind als solche, die das mütterliche X-Chromosom geerbt haben ("Nature", Band 387, Seite 705, 12. Juni 1997). Offenbar wirkt an der Entwicklung sozial-kognitiver Fähigkeiten ein Gen mit, dessen mütterliches Allel durch Prägung inaktiviert ist.

Schon länger kennt man außerdem zwei andere Krankheitsbilder beim Menschen, die gleichfalls mit einer fehlerhaften genetischen Prägung zu tun haben ("Annual Reviews in Genetics", Band 30, Seiten 173 bis 195). Das mit schweren Behinderungen verbundene Prader-Willi-Syndrom tritt auf, wenn von einem bestimmten Abschnitt des Chromosoms 15 nur Exemplare vorliegen, die von der Mutter stammen. Dieser Bereich ließ sich grob kartieren, und es wurden vier geprägte Gene darin gefunden. Das genetisch spiegelbildliche Phänomen, das Fehlen der mütterlichen Allele in demselben Abschnitt, ruft ebenso schwere, teils ähnliche und teils abweichende Störungen hervor, die als Angelman-Syndrom bekannt sind. Aus den pathologischen Befunden für die spiegelbildlichen Chromosomenfehlverteilungen lassen sich jedoch keine einfachen allgemeinen Rückschlüsse darauf ziehen, welche Merkmale auf den Vater und welche auf die Mutter zurückgehen.

Wüßte man mehr über die molekularen Mechanismen der Prägung im Spermium oder in der Eizelle, so ließe sich vielleicht ein Marker einschleusen, der es erlaubte, die Aktivität eines geprägten Gens während der Embryonalentwicklung oder im Gehirn ausgewachsener normaler Tiere zu verfolgen. Solange jedoch nur Alles-oder-nichts-Experimente (mit meist katastrophalen Folgen für die Versuchstiere) möglich sind, kann frau sich nicht darauf verlassen, daß ihre Fabulierlust tatsächlich weitervererbt wird.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1997, Seite 29
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
8 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 8 / 1997

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