Eric Mueller wusste lange Zeit nicht, wie seine leibliche Mutter aussieht: Der Fotograf aus Minneapolis war adoptiert worden und hatte keinerlei Kontakt zu ihr. Doch als er eines Tages ein Foto von ihr in die Hände bekam, war er verblüfft, wie sehr sie ihm ähnelte. »Das war das erste Mal, dass ich jemanden betrachtete, der aussah wie ich«, schreibt er. Diese Erfahrung inspirierte Mueller zu einem Projekt, bei dem er drei Jahre lang mehrere hundert Familien fotografierte. Das Ergebnis veröffentlichte er in dem Buch »Family Resemblance«.

Solche Ähnlichkeiten sind natürlich nicht ungewöhnlich – und sie deuten auf einen starken Einfluss des Erbguts auf unsere Gesichtszüge hin. Aber je genauer Wissenschaftler die genetischen Hintergründe untersuchen, desto komplexer wird das Bild. Hunderte, wenn nicht gar Tausende von Genen beeinflussen die Gesichtsform, und zwar auf meist subtile Weise. Selbst wenn man die Bedeutung jedes einzelnen Gens kennt, wird man damit nicht vorhersagen können, wie das Gesicht einer Person aussehen wird.

»Vielleicht sind wir auf der falschen Fährte, wenn wir versuchen, die Rolle einzelner Gene zu verstehen«, sagt Benedikt Hallgrímsson von der University of Calgary in Kanada. Stattdessen halten der Entwicklungsgenetiker und Evolutionsanthropologe sowie andere Fachleute es für sinnvoller, das Erbgut nach Funktionen zu gruppieren. So könne man all solche Gene gemeinsam betrachten, die zusammenarbeiten, wenn sich während der Embryonalentwicklung das Gesicht formt. Das dürfte deutlich einfacher sein, als alle einzeln zu untersuchen.

Was Gesichtsanomalien verraten

Als Genetiker sich zum ersten Mal daranmachten, die Eigenschaften von Gesichtern zu untersuchen, begannen sie mit einer einfachen Aufgabe: mit der Identifizierung jener Erbanlagen, die für Gesichtsanomalien verantwortlich sind. In den 1990er Jahren fanden sie beispielsweise heraus, dass eine Mutation in einem bestimmten Gen das Crouzon-Syndrom verursacht: Betroffene haben weit auseinanderstehende, oft hervortretende Augen und einen unterentwickelten Oberkiefer. Eine Mutation in einem anderen Gen dagegen führt zum Treacher-Collins-Syndrom, das sich durch kleine, nach unten gerichtete Augen sowie eine Gaumenspalte äußert. Solche extremen Fälle sagen allerdings wenig darüber aus, warum sich auch normale Gesichter so sehr voneinander unterscheiden.

Später begannen Fachleute dann, einen anderen Ansatz zu verfolgen. Zunächst vermaßen sie tausende normale Gesichter, indem sie die Abstände festgelegter Punkte bestimmten: zwischen Kinnspitze, Mundwinkeln, Nasenspitze, äußerem Augenwinkel und so weiter. Anschließend untersuchten sie das Erbgut dieser Personen, um herauszufinden, ob genetische Varianten mit bestimmten Gesichtsmaßen zusammenhingen. Eine solche Analyse nennt man genomweite Assoziationsstudie, kurz GWAS.

Bisher wurden etwa 25 solcher Untersuchungen zur Gesichtsform veröffentlicht, in denen man insgesamt über 300 Gene identifiziert hatte. »Jede einzelne Gesichtsregion wird durch mehrere Gene geprägt«, betont der Genetiker Seth Weinberg von der University of Pittsburgh. »Es ist ihr Zusammenspiel, das letztendlich zum Aussehen führt.«

Wie entstehen die individuellen Unterschiede?

Die bisher aufgedeckten Varianten erklären die Besonderheiten jedes einzelnen Gesichts allerdings alles andere als eindeutig. In einer Studie zur Genetik von Gesichtern sammelten Weinberg und seine Kollegen GWAS-Ergebnisse zu den Gesichtern von 4680 Menschen europäischer Abstammung. Bekannte genetische Varianten erklärten hierbei nur etwa 14 Prozent der Unterschiede in den Antlitzen. Das Alter einer Person war für 7 Prozent, das Geschlecht für 12 Prozent und der Body-Mass-Index für etwa 19 Prozent der Variation verantwortlich, so dass 48 Prozent völlig ungeklärt blieben.

Offenbar wird bei diesem Vorgehen etwas Wichtiges nicht erfasst. Prägt womöglich die Umwelt die Gesichtsform? Es gibt tatsächlich Indizien dafür, dass bestimmte Teile des Gesichts – einschließlich der Wangen, des Unterkiefers und des Munds – anfällig für Umwelteinflüsse wie Ernährung und Klima sind. Man müsse aber zudem einen genaueren Blick auf die einzigartigen genetischen Konstellationen einzelner Familien werfen, um das fehlende Puzzlestück zu finden, darin sind sich zahlreiche Forscherinnen und Forscher einig.

Würden Gesichtsformen sich einfach aus der Summe von hunderten winzigen genetischen Effekten ergeben, wie die GWAS-Ergebnisse nahelegen, dann müsste das Gesicht jedes Kindes eine perfekte Mischung aus den Antlitzen beider Elternteile sein, so Hallgrímsson. Aber das sei ganz offensichtlich nicht der Fall. »Mein Sohn hat die Nase seiner Großmutter«, stellt Hallgrímsson fest. »Das muss bedeuten, dass es bestimmte genetische Varianten gibt, die sich innerhalb der Familien stark ausprägen.«

Ist Gérard Depardieus Nase das Ergebnis einer seltenen Genvariante?

Aber wenn einige Gene die Gesichtszüge in besonderem Maß beeinflussen, warum tauchen sie dann nicht in einer GWAS auf? Möglicherweise sind die Varianten in der Allgemeinbevölkerung zu selten, mutmaßen Fachleute. »Die Gesichtsform ist im Prinzip eine Kombination aus häufigen und seltenen Varianten«, konstatiert Peter Claes, Genetiker an der Katholischen Universität Löwen in Belgien. Als mögliches Beispiel nennt er die markante Nase des französischen Schauspielers Gérard Depardieu. »Man kennt die Genetik noch nicht, aber ich habe das Gefühl, dass es sich um eine seltene Variante handelt«, sagt er.

Einige andere charakteristische Gesichtsmerkmale, die häufig in bestimmten Familien auftreten, wie Grübchen, eine senkrechte Kinnmulde oder zusammengewachsene Augenbrauen, könnten ebenfalls auf solche seltenen, sich stark ausprägenden Varianten zurückgehen, vermutet Stephen Richmond vom kieferorthopädischen Institut der University of Cardiff in Wales. Um solche seltenen Varianten zu identifizieren, müssen Forscher jedoch über die gängigen genomweiten Assoziationsstudien hinausgehen und umfangreiche Datenmengen des gesamten Genoms analysieren.

Es ist ebenfalls möglich, dass die gleichen Genvarianten, die bei den meisten Menschen nur geringe Auswirkungen haben, sich innerhalb einzelner Familien stark ausprägen. Hallgrímsson hat dies bei Mäusen beobachtet: Er und seine Kollegen – insbesondere Christopher Percival, jetzt an der Stony Brook University in New York – führten in drei Inzuchtlinien von Mäusen Mutationen ein, die die Kopf- und Gesichtsform beeinflussen. Obwohl es sich um die gleichen Änderungen am Erbgut handelte, hatten die drei Linien recht unterschiedliche Gesichtsformen. »Die gleiche Mutation kann in einem anderen Mäusestamm einen völlig anderen Effekt haben, manchmal sogar den gegenteiligen«, ergänzt Hallgrímsson.

Sollte das bei Menschen ähnlich sein, könnte die einzigartige genetische Konstellation einer bestimmten Familie – analog zum Mäusestamm – bestimmte Varianten der Gesichtsform stärker zur Geltung bringen. Das sei aber ohne Inzuchtstämme schwer zu beweisen, gibt Hallgrímsson zu bedenken.

Winzige Genunterschiede führen zu verschiedenen Gesichtern

Ein aussichtsreicherer Ansatz könnte es sein, zu erforschen, was während der Embryonalentwicklung geschieht, vermutet der Genetiker. Wenn sich das Gesicht entwickelt, wirken diverse Gruppen von Genen zusammen, um teils wiederum die Aktivität anderer Gene zu regulieren. Dieses Zusammenspiel steuert, wie sich bestimmte Organe und Gewebe ausbilden. Um solchen Prozessen auf den Grund zu gehen, nutzten Hallgrímsson und sein Team zunächst statistische Methoden. Damit identifizierten sie bei mehr als 1100 Mäusen jene Gene, die das Aussehen des Gesichts beeinflussen. Anschließend durchforsteten die Fachleute genetische Datenbanken, um herauszufinden, an welchen Entwicklungsprozessen jedes dieser Gene beteiligt ist. Dabei erwiesen sich drei Vorgänge als besonders bedeutsam: die Knorpelentwicklung, das Hirnwachstum und die Knochenbildung. Hallgrímsson spekuliert, dass individuelle Unterschiede in der Geschwindigkeit und im Timing jener drei Abläufe – und wahrscheinlich noch weiterer – einen wesentlichen Teil der Varianz zwischen den Gesichtern erklären könnten.

Wie die Untersuchung zeigte, existieren in einigen dieser Genteams spezialisierte »Kapitäne«, die die Aktivitäten der übrigen Teammitglieder lenken. Es könnte sinnvoll sein, solche Schlüsselgene genauer unter die Lupe zu nehmen, anstatt sich mit den Unmengen an einzelnen genetischen Faktoren auseinanderzusetzen. Genau das taten Sahin Naqvi, Genetiker an der Stanford University, und sein Team.

Naqvi begann mit einem Paradoxon. Er wusste, dass die meisten Entwicklungsprozesse so fein abgestimmt sind, dass selbst geringfügige Veränderungen in der Aktivität der sie regulierenden Gene schwer wiegende Entwicklungsprobleme verursachen können. Aber er wusste auch, dass kleine Unterschiede in denselben Genen wahrscheinlich der Grund dafür sind, dass sein eigenes Gesicht anders aussieht als das seines Nachbarn. Wie, fragte sich Naqvi, konnte das zusammenpassen?

Um die beiden widersprüchlichen Vorstellungen miteinander in Einklang zu bringen, beschlossen Naqvi und seine Kollegen, sich auf das regulatorische Gen SOX9 zu konzentrieren. Es steuert die Aktivität vieler weiterer Gene, die an der Entwicklung von Knorpel und anderen Geweben beteiligt sind. Wenn eine Person über lediglich eine funktionierende Kopie von SOX9 verfügt, kommt es zu einer kraniofazialen Störung namens Pierre-Robin-Syndrom. Bei den Betroffenen ist unter anderem der Unterkiefer nicht richtig ausgebildet.

Puzzlearbeit, um den Effekt einzelner Gene zu verstehen

Naqvis Team nahm sich daher vor, die SOX9-Aktivität schrittweise zu verringern und zu messen, wie sich das auf andere Gene auswirkt. Dazu veränderten die Fachleute menschliche Embryonalzellen gentechnisch derart, dass man deren SOX9-Aktivität nach Belieben herunterregulieren konnte. Dann bestimmten sie den Effekt von sechs verschiedenen Aktivitätsstufen auf das Treiben anderer Gene. Würden die Gene, die unter der Kontrolle von SOX9 stehen, ihre Aktivität an jene des Regulators anpassen oder aber unbeeinflusst davon bleiben?

Wie das Team feststellte, lassen sich die Gene in zwei Klassen einteilen. Die meisten von ihnen änderten ihre Aktivität nur, wenn die SOX9-Aktivität auf unter 20 Prozent des Normalwerts fiel. Das heißt, sie schienen selbst vor relativ großen Schwankungen ihres Regulators geschützt zu sein. Diese Pufferwirkung – möglicherweise die Auswirkung anderer regulatorischer Gene, die einen Rückgang der SOX9-Aktivität kompensieren – könnte dabei helfen, die Gesichtsentwicklung präzise zu steuern.

Nur eine kleine Untergruppe von Genen reagierte auf kleine Veränderungen von SOX9. Dabei handelte es sich um solche, die tendenziell die Kiefergröße und andere Gesichtsmerkmale beeinflussen, die beim Pierre-Robin-Syndrom verändert sind. Tatsächlich scheinen diese »ungepufferten« Gene zu bestimmen, wie sehr ein Gesicht dem einer Person mit Pierre-Robin-Syndrom ähnelt. Bei starker Ähnlichkeit – also am einen Ende des Spektrums – ist der Kiefer unterentwickelt. Und am anderen Ende? »Man kann sich den Anti-Pierre-Robin-Typ als jemanden mit überentwickeltem Kiefer vorstellen, mit markantem Kinn – so wie ich«, sagt Naqvi.

Im Wesentlichen steuert SOX9 ein Team von Genen, die eine Richtung oder Achse definieren, in der Gesichter variieren können: von mehr bis weniger Pierre-Robin-artig. Naqvi möchte als Nächstes herausfinden, ob es noch weitere Gengruppen gibt (gesteuert von einem anderen regulatorischen Gen), die andere Variationsachsen bestimmen.

Er vermutet zum Beispiel, dass Gene, die auf kleine Veränderungen in einem Gen namens PAX3 empfindlich reagieren, eine Achse definieren könnten, die mit der Form von Nase und Stirn zusammenhängt. TWIST1, das in einer mutierten Form eine vorzeitige Verschmelzung der Schädelknochen bewirkt, könnte wiederum auf eine Gruppe von Genen wirken, die bestimmen, wie lang Schädel und Stirn sind.

Wenige Entwicklungsprozesse steuern zentrale Achsen

Auch andere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Naqvi mit seiner Annahme, Gesichter würden entlang vordefinierter Achsen variieren, auf dem richtigen Weg sein könnte. Beispielsweise sortierte die Genetikerin Hanne Hoskens die Gesichtsformen von Versuchspersonen danach, wie sehr sie den typischen Gesichtsmerkmalen bei Achondroplasie – der häufigsten Form des Kleinwuchses – ähnelten. Dazu gehören unter anderem eine markante Stirn und eine abgeflachte Nase.

Hoskens, die einst bei Claes studiert hat und Postdoc in Hallgrímssons Labor war, fand tatsächlich ein deutliches Muster: Jene Menschen, deren Gesichtszüge am stärksten solchen ähneln, die für Achondroplasie typisch sind, hatten tendenziell andere Varianten von Genen, die mit der Knorpelentwicklung zusammenhängen, als diejenigen mit Gesichtsformen am gegenüberliegenden Ende des Spektrums.

Wenn ähnliche Muster auch bei anderen Entwicklungsprozessen auftreten, könnten diese als eine Art Leitplanke dienen: Sie könnten Genetikern helfen, allgemeinere Prinzipien zu identifizieren, die der Gesichtsform zu Grunde liegen. »Es gibt einen begrenzten Satz an Richtungen, in denen Gesichter variieren können«, sagt Hallgrímsson. Es handle sich nur um eine kleine Teilmenge aller geometrischen Möglichkeiten. »Das liegt daran, dass diese Achsen durch Entwicklungsprozesse bestimmt werden, von denen es vergleichsweise wenige gibt.«

Noch ist es zu früh, um zu beurteilen, ob der neue Ansatz wirklich einen wichtigen Schlüssel zur Erklärung liefert, warum das Gesicht einer Person anders aussieht als das einer anderen – und wieso der Fotograf Eric Mueller seiner leiblichen Mutter so sehr ähnelt, dass er beim Anblick ihres Fotos regelrecht erschrak. Aber wenn Hallgrímsson, Naqvi und deren Kolleginnen und Kollegen Recht haben, könnte sich die Erforschung der Entwicklungspfade auszahlen. Vielleicht wird man damit irgendwann das Dickicht von Genen durchdringen, das unseren Gesichtszügen zu Grunde liegt.