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Genforschung: Sex schützt vor Mutanten

Mutationen treten beim Menschen vergleichsweise häufig auf. Aus statistischer Sicht müsste es deshalb Individuen geben, die sehr viele Mutationen auf sich vereinen. Diese Mutanten aber fehlen in der Population des Menschen. Ihre Abwesenheit untermauert eine Theorie, der zufolge Sex den Zweck hat, die Zahl schädlicher Mutationen in einer Population kleinzuhalten.
Menschen sind bunt gemischte Mutanten

Aus statistischer Sicht hätte der Mensch längst aussterben müssen. Jedes Baby kommt mit im Schnitt 70 genetischen Fehlern auf die Welt, ein regelrechter Mutationstsunami im Vergleich zu anderen Organismen, wie etwa Bakterien oder Schleimpilzen. Das Problem: Die meisten Mutationen verringern die evolutionäre Fitness; bei einer solch hohen Mutationsrate wie bei uns, hätte der gesammelte Genmüll schon längst zu einer ernsthaften Bedrohung für unsere Art werden müssen.

Dennoch erfreuen wir uns relativer genetischer Gesundheit. Es gibt offenbar einen Mechanismus, der unsere Population vor Ansammlungen schädlicher Genfehler irgendwie schützt. Einer neuen Studie zufolge, die im Journal »Science« erschien, beruht diese genetische Müllabfuhr wahrscheinlich auf einer altbekannten Prozedur: Sex.

Alexey Kondrashov
Alexey Kondrashov | Alexey Kondrashov ist Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of Michigan (USA).

Alexey Kondrashov, Evolutionsbiologe an der Universität von Michigan in Ann Arbor (USA), ist einer der Seniorautoren der neuen Studie. Seit mehr als 30 Jahren erforscht er, wie sich Mutationen innerhalb einer Population verbreiten. Tatsächlich ist diese Frage eines der größeren Rätsel der Biologie. Nach einer klassischen Auslegung der Evolutionstheorie wirkt die natürliche Auslese nämlich nur in kleinen Schritten: Kommt ein Lebewesen mit einer neuen Mutation auf die Welt, die seine Fortpflanzung erschwert, stirbt sein Stammbaum mit hoher Wahrscheinlichkeit aus, und die Mutation mit ihm.

Es gibt aber ein anderes Modell, dem zufolge das Schicksal mehrerer Mutationen aneinandergekoppelt sein kann. Zum Beispiel dann, wenn eine Mutation die Wirkung einer zweiten verstärkt. Der Schaden durch eine zusätzliche Mutation steigert sich dann nicht additiv, sondern exponentiell. Populationsgenetiker nennen dieses schädliche Zusammenwirken von Mutationen synergistische Epistase.

Kondrashov vermutet aber, dass die synergistische Epistase Populationen mit sexueller Fortpflanzung vor Ansammlungen gefährlicher Mutationen sogar schützen könnte. Das jedenfalls lassen die Ergebnisse der Studie in »Science« vermuten. Anhand der Mutationsraten von Menschen und Taufliegen berechnete sein Team, wie viele Individuen in den beiden Populationen eine bestimmte Anzahl an Mutationen tragen müssten. Dann verglichen sie diese theoretischen Mutationsverteilungen mit jenen in den Populationen von 2000 Menschen und 300 wilden Taufliegen.

Tatsächlich trugen deutlich weniger Menschen und Taufliegen die hohe Zahl an Mutationen, die das statistische Modell vorhersagte. Das passt sehr gut zu der Annahme, dass Mutationen nicht unabhängig voneinander wirken, sondern sich negativ verstärken. Der Effekt weise »darauf hin, dass die natürliche Auslese stärker auf Individuen mit Ansammlungen schädlicher Mutationen wirkt«, sagt Arjan de Visser, Evolutionsbiologe an der Universität Wageningen, der an der Studie beteiligt war.

Und da kommt der Sex ins Spiel. Als evolutionäre Strategie war die sexuelle Fortpflanzung nie leicht zu rechtfertigen: Man muss einen Partner finden, der muss einen akzeptieren, die Befruchtung muss klappen – und selbst dann gibt man nur die Hälfte seiner Gene weiter. Asexuell reproduzierende Organismen dagegen schaffen Kopien ihrer selbst und geben damit alle ihre Gene weiter, ohne den ganzen Ärger. Dennoch hat Sex sich offenkundig bei vielen durchgesetzt.

Der Grund liegt vermutlich darin, dass Sex die Gene zu immer neuen Cocktails mischt. Schon die Spermien und Eizellen tragen einen Mix der Chromosomen ihrer Erzeuger. Deshalb unterscheiden sich Menschen, von eineiigen Zwillingen einmal abgesehen, genetisch von allen ihren Verwandten. Sex erzeugt also eine riesige genetische Vielfalt an Fähigkeiten, Formen und Größen, an der die natürliche Auslese ihr Werk verrichten kann.

In ebendieser Kombinationslust liegt vermutlich der große Vorteil von Sex. Denn schädliche Mutationen, die in einem Individuum zusammenfinden, können in einem einzigen Schritt aus einer Population gelöscht werden. So ein mutationsbelastetes Individuum kann etwa eine Spermienzelle sein, die es nicht zur Eizelle schafft, oder ein Organismus, der sich nicht vermehren kann. In solchen Szenarien wird der schädliche Mutationsmix des Individuums nicht in der Population fortbestehen.

Die verblüffende Langlebigkeit des Sex
Die verblüffende Langlebigkeit des Sex | Sexuelle Fortpflanzung ist in der Natur erstaunlich weit verbreitet, obwohl die asexuelle Vermehrung auf den ersten Blick große Vorteile hat.

Die Idee ist nicht neu. Schon vor knapp 30 Jahren hatte Kondrashov, damals junger Forscher in der Sowjetunion, in einem Artikel in »Nature« argumentiert, dass ein Misch-und-Lösch-Effekt der ganze Zweck von Sex sei. »Die [genetischen Profile], die dabei gelöscht werden, können viele Mutationen enthalten, so dass die ganze sexuelle Population einen riesigen Vorteil hat«, schrieb er damals. In einer asexuellen Population dagegen, in der alle Mitglieder genetische Kopien sind, können sich genetische Fehler in allen Individuen derart anhäufen, dass nur eine weitere reicht, um alle Nachkommen dahinzuraffen. Heute wird diese Perspektive deterministische Mutationshypothese genannt.

Shamil Sunyaev
Shamil Sunyaev | Shamil R. Sunyaev ist Professor für Biomedizinische Informatik an der Harvard Medical School und hält den Lehrstuhl für Genetische Informatik am Brigham and Women’s Hospital.

Ganz perfekt untermauern die aktuellen Ergebnisse von Kondrashov und seinen Kollegen die Hypothese allerdings noch nicht. Zum Beispiel konnten sie keine Verringerung der Zahl nicht schädlicher Mutationen feststellen. »Wir sehen den Effekt nicht im gesamten Genom«, sagt der Geninformatiker Shamil Sunyaev von der Harvard Medical School, ein weiterer Seniorautor der Studie. Aber zumindest für eindeutig schädliche Mutationen sei der Effekt klar erkennbar.

Aber auch wenn die Ergebnisse noch wackelig sind – richtungsweisend und elegant ist die Studie allemal. Das findet auch Brian Charlesworth, Evolutionsgenetiker von der Universität Edinburgh, der nicht an der Studie beteiligt war. »Ich fand die Idee [der synergistischen Epistase] schon immer hübsch«, bemerkt er. »Stellen Sie sich vor, jemand schlägt Ihnen mit einem Hammer auf den Kopf. Der erste Schlag wird Sie wahrscheinlich nicht umbringen. Drei oder vier Schläge auf einmal dagegen bedeuten wahrscheinlich Ihr Ende.« Die neue Studie sei »die erste, die zeigt, was in den lebenden Populationen tatsächlich vor sich geht«.

Sex und sein selektiver Vorteil gegen Mutationen
Sex und sein selektiver Vorteil gegen Mutationen | Die sexuelle Fortpflanzung bringt besondere Vorteile mit sich, wenn sich die schädliche Wirkung von Mutationen exponentiell verstärkt. Unter dieser Bedingung schützt Sex die genetische Gesundheit der Population.Populationen, die sich sexuell vermehren, bestehen aus Individuen mit sehr verschiedener Mutationsdichte. Dagegen ist in den Individuen einer asexuellen Population die Zahl der Mutationen nahezu identisch.Steigt die durchschnittliche Zahl der Mutationen, wird ein großer Anteil der sexuellen Population eliminiert. Einige Individuen aber überleben. Im Gegensatz dazu stirbt die gesamte asexuelle Population aus.Bei hoher Mutationsrate überlebt also eher die sexuelle Population. Auf Dauer ist sie weniger von schädlichen Mutationen belastet und kann sich, ausgehend von den Individuen mit geringer Mutationszahl, immer wieder selbst erneuern.

Kondrashov hofft nun, dass sich exponentiell schädliche Interaktionen zwischen Mutationen in weiteren Experimenten bestätigen. »Bevor der Effekt nicht bei mehreren anderen Spezies repliziert ist, bin ich mit dem Wort ›Entdeckung‹ vorsichtig«, sagt er. »Eine andere Erklärung kann ich mir aber nicht vorstellen.«

Im nächsten Schritt will sein Team deshalb eine Population Taufliegen züchten, in der das genetische Profil der Population vollständig bekannt ist. Mit Selektionsexperimenten wollen sie dann präzise nachvollziehen, wie sich das Profil durch Sex weiterentwickelt. Außerdem wollen sie mit ihren statistischen Tests untersuchen, ob der sexuelle Löscheffekt auch auf Regionen der DNA wirkt, die keine Proteine kodieren.

Sollten sich die Ergebnisse von Kondrashovs Team bestätigen, hieße dies, dass der Sex die Population des Menschen auf genetischer Ebene schützt. Er schafft Individuen mit den gesammelten Mutationen ihrer Vorfahren. Sind es zu viele, werden diese Individuen durch synergistische Epistase aus der Population getilgt. Ihre Abwesenheit zeigt sich aber nur als Fingerabdruck von Sex in unseren Genen.

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Der Artikel ist unter dem Titel »Missing Mutations Suggest a Reason for Sex« am 13. Juli 2017 im »Quanta Magazine« erschienen.

41/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 41/2017

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