29+ Beweise für Makroevolution: Teil 4

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Die molekularen Sequenzevidenzen liefern den beeindruckendsten und unanfechtbarsten Beweis für die genealogische Verwandtschaft allen Lebens. Die Natur molekularer Sequenzen ermöglicht extrem beeindruckende Wahrscheinlichkeitsberechnungen, die zeigen, wie gut die Vorhersagen der gemeinsamen Abstammung mit Modifikation tatsächlich den empirischen Beobachtungen entsprechen. Gemeinsame Abstammung ist eine Folgerung, die direkt aus Prämissen folgt, die auf empirisch beobachteter molekularer Evidenz basieren. Darüber hinaus hat das Wissen über biologische molekulare Mechanismen und Strukturen, kombiniert mit der makroevolutionären Theorie, sehr spezifische, neuartige und überprüfbare biomolekulare Vorhersagen ermöglicht.

Vorhersage 4.1: Funktionelle Redundanz von Proteinen

Die durch Studien molekularer Sequenzen gestützte gemeinsame Abstammung kann als deduktives Argument formuliert werden. Dieses Argument ist innerhalb dieser FAQ einzigartig, da es der einzige Fall ist, in dem wir direkt schlussfolgern können, dass Ähnlichkeit Verwandtschaft impliziert. Dieser Schluss hängt von der Ähnlichkeit biologischer Strukturen in einem spezifischen Kontext ab: der beobachteten Ähnlichkeit zwischen ubiquitären Genen verschiedener Arten.

Die folgende Diskussion ist etwas technisch, daher wird sie zunächst als Gliederung eines deduktiven Arguments dargestellt, wodurch der logische Faden leicht zu verfolgen ist. Hier sind die Prämissen des Arguments aufgeführt, gefolgt vom Schluss und weiteren Diskussionen.

Der Kern des Arguments:

(P1) Allgegenwärtige Gene: Es gibt bestimmte Gene, die alle lebenden Organismen besitzen, da sie sehr grundlegende Lebensfunktionen erfüllen; diese Gene werden allgegenwärtige Gene genannt.

(P2) Allgegenwärtige Gene stehen nicht in Korrelation mit artspezifischen Phänotypen: Allgegenwärtige Gene haben keine Beziehung zu den spezifischen Funktionen verschiedener Arten. Zum Beispiel spielt es keine Rolle, ob Sie ein Bakterium, ein Mensch, ein Frosch, ein Wal, ein Kolibri, ein Schnecken, ein Pilz oder eine Seeanemone sind – Sie besitzen diese allgegenwärtigen Gene, und sie erfüllen alle dieselbe grundlegende biologische Funktion, unabhängig davon, was Sie sind.

(P3) Molekulare Sequenzen allgegenwärtiger Gene sind funktionell redundant: Jedes gegebene allgegenwärtige Protein hat eine extrem große Anzahl verschiedener funktionell äquivalenter Formen (d. h. Proteinsequenzen, die dieselbe biochemische Funktion erfüllen können).

(P4) Spezifische allgegenwärtige Gene sind in einer gegebenen Art unnötig: Offensichtlich gibt es keinen a priori-Grund, warum jedes Organismus dieselbe Sequenz oder sogar ähnliche Sequenzen besitzen sollte. Keine spezifische Sequenz ist in einem Organismus funktionell notwendig – alles, was notwendig ist, ist eine der großen Anzahl funktionell äquivalenter Formen eines gegebenen allgegenwärtigen Gens oder Proteins.

(P5) Vererbung korreliert Sequenzen, auch bei Abwesenheit funktioneller Notwendigkeit: Es gibt einen, und nur einen, beobachteten Mechanismus, der dazu führt, dass zwei verschiedene Organismen allgegenwärtige Proteine mit ähnlichen Sequenzen besitzen (abgesehen von der extremen Unwahrscheinlichkeit reiner Zufälligkeit, natürlich). Dieser Mechanismus ist die Vererbung.

(C) Also deuten ähnliche allgegenwärtige Gene auf genealogische Verwandtschaft hin: Es folgt, dass Organismen, die ähnliche Sequenzen für allgegenwärtige Proteine besitzen, genealogisch verwandt sind. Grob gesagt, je ähnlicher die Sequenzen, desto enger die genealogische Verwandtschaft.

Diskussion:

Die Aminosäuresequenzen von Proteinen werden häufig verwendet, um die phylogenetischen Beziehungen zwischen Arten zu bestimmen. Sequenzstudien mit funktionalen Genen konzentrieren sich auf Gene von Proteinen (oder RNAs), die ubiquitär sind (d. h. alle Organismen besitzen sie). Dies geschieht, um sicherzustellen, dass die Vergleiche unabhängig vom allgemeinen Phänotyp der Art sind.

Zum Beispiel nehmen wir an, wir vergleichen die Proteinsequenz eines Schimpansen mit der eines Menschen. Beide Tiere weisen viele ähnliche anatomische Merkmale und Funktionen auf, sodass wir erwarten könnten, dass auch ihre Proteine ähnlich sind, unabhängig davon, ob sie genealogisch verwandt sind oder nicht. Allerdings können wir die Sequenzen sehr grundlegender Gene vergleichen, die von allen lebenden Organismen verwendet werden, wie beispielsweise das Cytochrom-c-Gen, das keinen Einfluss auf spezifische Schimpansen- oder menschliche Merkmale hat.

Cytochrom c ist ein essentielles und ubiquitäres Protein, das in allen Organismen vorkommt, einschließlich Eukaryoten und Bakterien (Voet und Voet 1995, S. 24). Die Mitochondrien der Zellen enthalten Cytochrom c, wo es Elektronen im grundlegenden metabolischen Prozess der oxidativen Phosphorylierung transportiert. Der von uns eingeatmete Sauerstoff wird in diesem Prozess zur Energiegewinnung verwendet (Voet und Voet 1995, S. 577-582).

Unter Verwendung eines ubiquitären Gens wie Cytochrom c besteht kein Grund, anzunehmen, dass zwei verschiedene Organismen dieselbe Proteinsequenz oder sogar ähnliche Proteinsequenzen aufweisen sollten, es sei denn, die beiden Organismen sind genealogisch verwandt. Dies liegt zum Teil an der funktionalen Redundanz von Proteinsequenzen und -strukturen. Hier bezeichnet „funktionale Redundanz", dass viele unterschiedliche Proteinsequenzen dieselbe allgemeine Struktur bilden und dieselbe allgemeine biologische Funktion erfüllen. Cytochrom c ist ein extrem funktional redundantes Protein, da viele unähnliche Sequenzen alle Cytochrom c-Elektronentransportproteine bilden. Funktionale Redundanz muss nicht in Bezug auf die Leistung exakt sein; einige funktionelle Cytochrom c-Sequenzen können bei der Elektronentransport etwas besser sein als andere.

Jahrzehnte lang hat biochemische Beweise gezeigt, dass viele Aminosäuremutationen, insbesondere von Oberflächenresten, nur geringe Auswirkungen auf die Proteinfunktion und auf die Proteinstruktur haben (Branden und Tooze 1999, Kap. 3; Harris et al. 1956; Lesk 2001, Kap. 5 und 6, S. 165-228; Li 1997, S. 2; Matthews 1996). Ein auffälliges Beispiel hierfür sind die c-Typ-Cytochrome aus verschiedenen Bakterien, die praktisch keine Sequenzähnlichkeit aufweisen. Dennoch falten sie alle in dieselbe dreidimensionale Struktur und erfüllen alle dieselbe biologische Funktion (Moore und Pettigrew 1990, S. 161-223; Ptitsyn 1998).

Selbst innerhalb einer Art sind die meisten Aminosäure-Mutationen funktionsstillschweigend. Beispielsweise sind mindestens 250 verschiedene Aminosäure-Mutationen beim menschlichen Hämoglobin bekannt, die von mehr als 3 % der Weltbevölkerung getragen werden und bei heterozygoten oder homozygoten Individuen keine klinische Manifestation aufweisen (Bunn und Forget 1986; Voet und Voet 1995, S. 235). Das Phänomen der funktionalen Redundanz von Proteinen ist sehr allgemein und wird bei allen bekannten Proteinen und Genen beobachtet.

Mit diesem Gedanken im Hinterkopf betrachten wir erneut die Molekularsequenzen von Cytochrom c. Cytochrom c ist absolut lebensnotwendig – Organismen, die es nicht besitzen, können nicht überleben. Es wurde gezeigt, dass das menschliche Cytochrom c-Protein in Hefe (ein einzelliger Organismus) funktioniert, bei der das eigene native Cytochrom c-Gen gelöscht wurde, obwohl das Cytochrom c der Hefe sich in über 40 % des Proteins vom menschlichen Cytochrom c unterscheidet (Tanaka et. al 1988a; Tanaka et al. 1988b; Wallace und Tanaka 1994). Tatsächlich funktionieren die Cytochrom c-Gene von Thunfisch (Fisch), Taube (Vogel), Pferd (Säugetier), Drosophila-Fliege (Insekt) und Ratte (Säugetier) in Hefe, die ihr eigenes natives Cytochrom c der Hefe fehlt (Clements et al. 1989; Hickey et al. 1991; Koshy et al. 1992; Scarpulla und Nye 1986). Darüber hinaus hat eine umfassende genetische Analyse des Cytochrom c gezeigt, dass der Großteil der Proteinsequenz für seine Funktion in vivo unnötig ist (Hampsey et al. 1986; Hampsey et al. 1988). Nur etwa ein Drittel der 100 Aminosäuren im Cytochrom c ist notwendig, um seine Funktion zu spezifizieren. Die meisten Aminosäuren im Cytochrom c sind hypervarierbar (d. h. sie können durch eine große Anzahl funktionell ähnlicher Aminosäuren ersetzt werden) (Dickerson und Timkovich 1975). Wichtig ist, dass Hubert Yockey eine sorgfältige Studie durchgeführt hat, in der er berechnet hat, dass es basierend auf diesen genetischen Mutationsanalysen mindestens 2,3 x 10⁹³ mögliche funktionelle Cytochrom c-Proteinsequenzen gibt (Hampsey et al. 1986; Hampsey et al. 1988; Yockey 1992, Ch. 6, S. 254). Zum Vergleich ist die Zahl 10⁹³ etwa eine Milliarde Mal größer als die Anzahl der Atome im sichtbaren Universum. Daher sind funktionelle Cytochrom c-Sequenzen praktisch unbegrenzt in ihrer Anzahl, und es gibt keinen a priori-Grund dafür, dass zwei verschiedene Arten dieselben oder sogar nur leicht ähnlichen Cytochrom c-Proteinsequenzen aufweisen.

Hinsichtlich einer wissenschaftlichen statistischen Analyse ist die "Nullhypothese", dass die Identität nicht essentieller Aminosäuren in den Cytochrom-c-Proteinen von Mensch und Schimpanse zufällig zueinander sein sollte. Allerdings wissen wir aus der Theorie der gemeinsamen Abstammung und unserem standardmäßigen phylogenetischen Baum, dass Menschen und Schimpansen sehr eng miteinander verwandt sind. Daher sagen wir voraus, trotz der Wahrscheinlichkeiten, dass menschliche und schimpansenartige Cytochrom-c-Sequenzen viel ähnlicher sein sollten als beispielsweise menschliche und Hefe-Cytochrom-c – einfach aufgrund der Vererbung.

Bestätigung:

Menschen und Schimpansen haben die exakt gleiche Cytochrom-c-Proteinsequenz. Die oben genannte „Nullhypothese" ist falsch. Unter der Annahme, dass keine gemeinsame Abstammung vorliegt, ist die Wahrscheinlichkeit für dieses Vorkommen konservativ gesehen geringer als 10^-93 (1 von 10⁹³). Daher stellt der hohe Grad der Ähnlichkeit dieser Proteine eine spektakuläre Bestätigung der Theorie der gemeinsamen Abstammung dar. Darüber hinaus unterscheiden sich menschliche und schimpansenartige Cytochrom-c-Proteine von allen anderen Säugetieren durch etwa 10 Aminosäuren. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies ohne einen vererbungsmechanismus eintritt, liegt unter 10^-29. Die Hefe Candida krusei gehört zu den am weitesten von Menschen entfernt verwandten eukaryotischen Organismen. Candida weist 51 Aminosäureunterschiede zur menschlichen Sequenz auf. Eine konservative Schätzung dieser Wahrscheinlichkeit liegt unter 10^-25.

Kritiken:

Ein mögliches, jedoch unwahrscheinliches Einwand ist, dass die geringen Unterschiede in der funktionellen Leistungsfähigkeit zwischen den verschiedenen Cytochromen für diese Sequenzähnlichkeit verantwortlich sein könnten. Dieser Einwand ist unwahrscheinlich aufgrund der unglaublich hohen Anzahl von nahezu äquivalenten Sequenzen, die für jedes erforderliche Leistungsniveau phänotypisch nicht unterscheidbar wären. Darüber hinaus garantieren nahezu ähnliche Sequenzen nicht zwangsläufig nahezu ähnliche Leistungsniveaus.

Dennoch, um des Arguments willen, nehmen wir an, dass ein Cytochrom c, das Elektronen schneller transportiert, bei Organismen mit aktivem Stoffwechsel oder hohen Raten der Muskelkontraktion erforderlich ist. Wenn dies wahr wäre, könnten wir ein Muster der Sequenzähnlichkeit erwarten, das mit der Ähnlichkeit der Umwelt oder mit physiologischen Anforderungen korreliert. Dies wird jedoch nicht beobachtet. Zum Beispiel ist das Cytochrom c der Fledermaus dem menschlichen Cytochrom c viel ähnlicher als dem des Kolibris; das Cytochrom c des Delfins ist dem menschlichen Cytochrom c viel ähnlicher als dem des Haies. Wie bereits in Vorhersage 1.3 erwähnt, reproduziert der aus den Cytochrom c-Daten konstruierte phylogenetische Baum genau die Beziehungen der Haupttaxa, wie sie durch die völlig unabhängigen morphologischen Daten (McLaughlin und Dayhoff 1973) bestimmt wurden. Diese Tatsachen unterstützen lediglich die Idee, dass Cytochrom c-Sequenzen unabhängig von der phänotypischen Funktion sind (abgesehen von der offensichtlichen Notwendigkeit eines funktionellen Cytochroms c, das Elektronen transportiert).

Zusammenfassung:

Der Punkt dieser Vorhersage unterscheidet sich subtil von Vorhersage 1.3, „Konvergenz unabhängiger Phylogenien". Die oben dargelegten Beweise zeigen, dass für viele ubiquitäre funktionelle Proteine (wie Cytochrom c) eine enorme Anzahl äquivalenter Sequenzen existiert, die dieses Protein in jedem gegebenen Organismus bilden könnten. Jedes Mal, wenn wir feststellen, dass zwei Organismen dieselben oder sehr ähnliche Sequenzen für ein ubiquitäres Protein aufweisen, wissen wir, dass etwas Verdächtiges vor sich geht. Warum sollten diese beiden Organismen solche ähnlichen ubiquitären Proteine haben, wenn die Wahrscheinlichkeiten dafür astronomisch gegen sie stehen? Wir kennen nur einen Grund, warum zwei Organismen zwei ähnliche Proteinsequenzen aufweisen könnten, ohne dass eine funktionelle Notwendigkeit besteht: Vererbung. Somit können wir in solchen Fällen mit Zuversicht ableiten, dass die beiden Organismen genealogisch verwandt sind. In diesem Sinne ist Sequenzähnlichkeit nicht nur ein Test für die Theorie der gemeinsamen Abstammung; die gemeinsame Abstammung ist auch eine Ableitung aus dem Prinzip der Vererbung und der Beobachtung von Sequenzähnlichkeit. Schließlich ist die für Cytochrom c beobachtete Ähnlichkeit nicht auf dieses einzelne ubiquitäre Protein beschränkt; alle ubiquitären Proteine, die zwischen Schimpansen und Menschen verglichen wurden, sind hochgradig ähnlich, und es gab viele Vergleiche.

Potenzielle Falsifizierung:

Ohne die Theorie der gemeinsamen Abstammung zu unterstellen, wäre das wahrscheinlichste Ergebnis, dass die Cytochrom-c-Proteinsequenzen in all diesen verschiedenen Organismen sehr unterschiedlich voneinander wären. In diesem Fall wäre eine phylogenetische Analyse unmöglich, und dies würde sehr starke Beweise für einen genealogisch nicht verwandten, vielleicht gleichzeitigen Ursprung der Arten liefern (Dickerson 1972; Yockey 1992; Li 1997).

Darüber hinaus könnte die Grundlage dieses Arguments leicht untergraben werden, wenn gezeigt werden könnte (1), dass artspezifische Cytochrom-c-Proteine ausschließlich in ihren jeweiligen Organismen funktionsfähig waren, oder (2), dass keine andere Cytochrom-c-Sequenz in einem Organismus funktionieren könnte, der nicht sein eigenes natives Cytochrom-c besitzt, oder (3), dass ein beobachteter Mechanismus außer der Vererbung die Sequenz eines ubiquitären Proteins kausal mit einer spezifischen organismischen Morphologie korrelieren kann.

Vorhersage 4.2: Redundanz der DNA-Codierung

Wie die Ähnlichkeit von Proteinsequenzen impliziert auch die Ähnlichkeit von DNA-Sequenzen zweier ubiquitärer Gene gemeinsame Abstammung. Natürlich berücksichtigen umfassende DNA-Sequenzvergleiche konservierter Proteine wie Cytochrom c auch indirekt Aminosäuresequenzen, da die DNA-Sequenz die Proteinsequenz festlegt. Allerdings gibt es bei DNA-Sequenzen ein zusätzliches Redundanzniveau. Der genetische Code selbst ist informationell redundant; im Durchschnitt gibt es drei verschiedene Codons (ein Codon ist ein Triplett aus DNA-Basen), die exakt dieselbe Aminosäure spezifizieren (Voet und Voet 1995, S. 966). Daher gibt es für Cytochrom c etwa 3¹⁰⁴, also über 10⁴⁶, verschiedene DNA-Sequenzen (und somit 10⁴⁶ verschiedene mögliche Gene), die exakt dieselbe Proteinsequenz spezifizieren können.

Hier können wir unsere Vorhersage sehr spezifisch formulieren. Alle Sequenzunterschiede zwischen zwei funktionalen Cytochrom-c-Genen sind notwendigerweise funktional neutral oder nahezu so. Die Hintergrund-Mutationsrate beim Menschen (und bei den meisten anderen Säugetieren) wurde auf ~1-5 x 10^-8 Basenpaar-Substitutionen pro Stelle pro Generation gemessen (Mohrenweiser 1994, S. 128-129), und eine durchschnittliche Primat-Generation beträgt etwa 20 Jahre. Aus dem Fossilbericht wissen wir, dass sich Menschen und Schimpansen von einem gemeinsamen Vorfahren vor weniger als 10 Millionen Jahren getrennt haben (eine konservative Schätzung – wahrscheinlich weniger als 6 Millionen Jahre) (Stewart und Disotell 1998). Daher sagen wir voraus, dass, wenn Schimpansen und Menschen tatsächlich genealogisch verwandt sind, der Unterschied zwischen ihren jeweiligen Cytochrom-c-Gen-DNA-Sequenzen weniger als 3 % betragen sollte – wahrscheinlich sogar viel weniger, aufgrund der essenziellen Funktion des Cytochrom-c-Gens.

Bestätigung:

Wie oben erwähnt, sind die Cytochrom-c-Proteine bei Schimpansen und Menschen exakt identisch. Der entscheidende Punkt ist, dass die beiden DNA-Sequenzen, die für Cytochrom-c beim Menschen und beim Schimpansen kodieren, sich nur in vier Nukleotiden unterscheiden (eine Differenz von 1,2 %), obwohl es 10⁴⁹ verschiedene Sequenzen geben könnte, die für dieses Protein kodieren.

Die kombinierten Effekte der Redundanz in der DNA-Codierung und der Proteinsequenz führen dazu, dass Vergleiche von DNA-Sequenzen doppelt redundant sind. DNA-Sequenzen ubiquitärer Proteine stehen in keiner Korrelation mit phänotypischen Unterschieden zwischen Arten, korrelieren jedoch stark kausal mit der Vererbung. Dies ist der Grund, warum DNA-Sequenz-Phylogenien als so robust gelten.

Potenzielle Falsifizierung:

Das wahrscheinlichste Ergebnis ist, dass die DNA-Sequenzen, die für diese Proteine kodieren, radikal unterschiedlich sein sollten. Dies wäre eine eindeutige Falsifizierung der Makroevolution und würde sehr starke Beweise dafür liefern, dass Schimpansen und Menschen nicht eng genealogisch verwandt sind. Natürlich gelten die potenziellen Falsifizierungen für Vorhersage 4.1 auch für DNA-Sequenzen.

Vorhersage 4.3: Molekulare Beweise - Transposons

In vielerlei Hinsicht sind Transposons sehr ähnlich zu Viren. Sie fehlen jedoch Gene für virale Hüllproteine, können keine Zellgrenzen überschreiten und replizieren daher nur im Genom ihres Wirts. Sie können als intragenomische Parasiten betrachtet werden. Mit Ausnahme der seltensten Umstände ist der einzige Übertragungsmodus von einem Metazoenorganismus zu einem anderen die direkte DNA-Duplikation und Vererbung (z. B. Ihre Transposons werden an Ihre Kinder weitergegeben) (Li 1997, S. 338-345).

Die Replikation eines Transposons bedeutet, dass es sich selbst kopiert und die kopierte DNA an einer zufälligen Stelle im Genom des Wirts einfügt. Die Replikation von Transposons (auch als Transposition bezeichnet) wurde bei vielen Organismen direkt beobachtet, einschließlich Hefe, Mais, Wombat, Menschen, Bakterien und Fliegen, und in jüngster Zeit sind die Mechanismen gut verstanden (Li 1997, S. 335-338; Futuyma 1998, S. 639-641). Spezifische beobachtete Fälle von Retrotransposition sind dafür bekannt, Neurofibromatose und Hämophilie beim Menschen (Kazazian et al. 1988; Wallace et al. 1991) sowie Krebs und andere Krankheiten (Deininger und Batzer 1999) verursacht zu haben.

Dieser Abschnitt über Transposons sowie die beiden folgenden Abschnitte, die sich mit Pseudogenen und endogenen Retroviren befassen, sind konzeptionell eng miteinander verbunden. Die DNA-Sequenzen in intergenen Regionen (Regionen zwischen protein-kodierenden Genen in Genomen) umfassen sehr viele Transposons (wie LINEs und SINEs), endogene Retroviren (wie HERVs), Pseudogene und andere verwandte Sequenzen wie Mikrosatelliten. Viele Mikrosatelliten stehen in enger Verbindung zu und werden durch Retrotransposons wie LINEs und SINEs erzeugt (Arcot et al. 1995; Nadir et al. 1996; Wilder und Hollocher 2001; Yandava et al. 1997). Diese intergenen Sequenzen sind primär für die sehr spezifischen Muster verantwortlich, die in "DNA-Fingerprinting"-Analysen beobachtet werden, wie sie beispielsweise in Vaterschaftstests oder Geschwistertests durchgeführt werden. Wie Fingerabdrücke variieren diese intergenen Regionen zwischen einzelnen Organismen erheblich, und die Muster sind weitgehend willkürlich. Zum Beispiel transponieren Alu-Elemente, eine Art von SINE-Retrotransposon, etwa alle 200 menschlichen Geburten an eine neue genomische Stelle (Deininger und Batzer 1999), und Alus tragen zu einem signifikanten Anteil der menschlichen genetischen Vielfalt bei (Batzer und Deininger 2002). Im Fall des menschlichen L1-Transposons, eines von vielen menschlichen LINE-Elementen, wird eine neuartige Retrotransposition von etwa 1 von 20 Individuen getragen (Scaringe et al. 2001; Ostertag und Kazazian 2001). Dies ist eine konservative Schätzung, da jeder von uns etwa 50 retrotranspositionsfähige L1-LINEs besitzt (Brouha et al. 2003). Intergene Regionen des Genoms sind, wie alle DNA, vererbbar, und es besteht eine sehr starke Korrelation zwischen Verwandten. Wenn zwei Individuen gefunden werden, die spezifische intergene Muster weit über das hinaus teilen, das allein durch Zufall erwartet wird, ist dies sehr starkes Beweis für gemeinsame Abstammung. Dies ist tatsächlich die wissenschaftliche Grundlage hinter dem DNA-Fingerprinting.

Wie oben erklärt, ist das Vorkommen desselben Transposons an derselben chromosomalen Stelle bei zwei verschiedenen Organismen ein starkes direktes Beweis für gemeinsame Abstammung, da sie sich ziemlich zufällig einfügen und im Allgemeinen nur durch Vererbung weitergegeben werden können. Darüber hinaus sollten alle Nachkommen eines postulierten gemeinsamen Vorfahren, der eine bestimmte Transposition enthält, ebenfalls dieselbe Transposition aufweisen. Eine mögliche Ausnahme besteht darin, dass diese Transposition aufgrund eines seltenen Deletionsereignisses entfernt wurde; jedoch sind Deletionen niemals sauber, und in der Regel bleibt ein Teil der Transposon-Sequenz erhalten. Unter Verwendung derselben Prinzipien wie beim DNA-Fingerprinting haben Biologen Transposons, Pseudogene und endogene Retroviren genutzt, um nachzuweisen, dass viele Arten genetisch miteinander verwandt sind, wie zum Beispiel Menschen und andere Primaten. Im Folgenden werden einige von vielen Beispielen gegeben.

Bestätigung:

Eine häufige Klasse von Transposons sind SINE-Retroelemente (Li 1997, S. 349-352). Ein wichtiges SINE-Transposon ist das 300 bp große Alu-Element. Alle Säugetiere enthalten viele Alu-Elemente, einschließlich Menschen, bei denen sie 10% des menschlichen Genoms ausmachen (d. h. 60 Millionen Basen repetitiver DNA) (Smit 1996; Li 1997, S. 354, 357). Sehr recente menschliche Alu-Transpositionen wurden genutzt, um historische und prähistorische menschliche Migrationen aufzuklären, da einige Individuen neuere Alu-Einschleusungen aufweisen, die andere Individuen nicht besitzen (Novick et al. 1993; Novick et al. 1995). Tatsächlich haben sich gemeinsame Alu-Transpositionen als zuverlässige Marker für die gemeinsame Abstammung in Vaterschaftsfällen und in der kriminalistischen Forensik erwiesen (Novick et al. 1993; Novick et al. 1995; Roy-Engel et al. 2001). Am wichtigsten ist, dass im menschlichen α-Globin-Cluster sieben Alu-Elemente vorhanden sind und jedes von ihnen mit Schimpansen an den exakt gleichen sieben Stellen geteilt wird (Sawada et al. 1985).

Konkret wurden drei verschiedene spezifische SINE-Transpositionen in denselben chromosomalen Lagen von Cetaceen (Walen), Flusspferden und Wiederkäuern gefunden, die alle gemäß dem standardmäßigen phylogenetischen Baum eng miteinander verwandt sind. Alle anderen Säugetiere, einschließlich Kamelen und Schweinen, fehlen jedoch diese drei spezifischen Transpositionen (Shimamura 1997).

Weitere Details und Erklärungen zu diesem Thema finden Sie in Edward Max' FAQ zu plagiierten Fehlern und molekularer Genetik.

Potentielle Falsifizierung:

Siehe die beiden unten, da dieselben Prinzipien hier gelten.

Vorhersage 4.4: Molekulare Beweise – Redundante Pseudogene

Weitere molekulare Beispiele, die Belege für gemeinsame Abstammung liefern, sind die merkwürdigen DNA-Sequenzen, die als Pseudogene bekannt sind. Pseudogene sind sehr eng mit funktionalen, protein-kodierenden Genen verwandt. Die Ähnlichkeit umfasst sowohl die primäre DNA-Sequenz als auch oft den spezifischen chromosomalen Ort der Gene. Die funktionalen Gegenstücke von Pseudogenen sind normale Gene, die in mRNA transkribiert werden, die ihrerseits aktiv in funktionelles Protein übersetzt wird. Im Gegensatz dazu haben Pseudogene fehlerhafte regulatorische Sequenzen, die verhindern, dass das Gen in mRNA transkribiert wird, oder sie besitzen interne Stop-Codons, die die Herstellung des funktionellen Proteins verhindern. In diesem Sinne sind Pseudogene molekulare Beispiele für vestigial structures.

Allerdings werden Pseudogene hier unter einer separaten Vorhersage aufgenommen, da viele Pseudogene auf eine zusätzliche Weise ungewöhnlich sind. Morphologische Relikte haben ihre ursprüngliche Funktion verloren, und der Organismus, der das Relikt trägt, hat diese Funktion ebenfalls verloren. Im Gegensatz dazu haben Pseudogene ihre ursprüngliche Funktion verloren, doch der Organismus selbst kann diese Funktion weiterhin aufrechterhalten, wenn er das funktionale Gegenstück dieser Pseudogene trägt. Pseudogene, die im morphologischen Sinne als Relikte gelten, wie das Pseudogen für die Vitamin-C-Synthese, werden in Vorhersage 2.3 behandelt. Die verbleibende Art von Pseudogen, bei der ein Organismus sowohl ein funktionelles Gen als auch ein oder mehrere Gegenstück-Pseudogene trägt, wird hiermit als „redundantes Pseudogen" bezeichnet.

Die meisten Pseudogene sind weitgehend nicht-funktional. Es gibt mehrere Beweislinien, die diese Schlussfolgerung stützen. Erstens hat das Vorhandensein oder Fehlen der meisten spezifischen Pseudogene keinen messbaren Einfluss auf das phänotypische Merkmal des Organismus. Zweitens gibt es gute mechanistische und genetische Argumente, die darauf hinweisen, dass Pseudogene wenig, wenn überhaupt, eine Funktion haben. Pseudogene besitzen komplexe Sequenzen, die hochgradig ähnlich oder identisch zu denen sind, die für die ordnungsgemäße Funktion anderer enzymatischer oder struktureller Proteine erforderlich sind. Diese normalen Gene werden aktiv transkribiert und in Proteine übersetzt, während Pseudogene nicht übersetzt, nicht transkribiert oder beides sind. Daher können Pseudogene die Funktionen der Proteine, die sie kodieren, nicht erfüllen. Falls Pseudogene doch eine Funktion haben, müssen sie relativ einfache Funktionen erfüllen, für die das von ihnen kodierte Protein nicht konzipiert wurde.

Drittens, wenn ein Pseudogen wenig oder keine Funktion hat, dann werden die meisten Mutationen im Pseudogen nur geringe funktionelle Konsequenzen haben, und viele Mutationen werden nicht durch reinigende Selektion eliminiert. Daher erwarten wir, dass wirklich nicht-funktionale Pseudogene Mutationen mit der Hintergrundrate der Mutation akkumulieren. Pseudogene mit geringen Funktionen akkumulieren Mutationen nahe der Hintergrundrate. Wie erwartet, wenn Pseudogene wenig, wenn überhaupt, Funktion haben, akkumulieren die meisten Pseudogene Mutationen mit der schnellsten bekannten Rate für jede Region von DNA in Tiergenomen. Darüber hinaus stimmt die aus phylogenetischer Analyse für Pseudogene abgeleitete Mutationsrate sehr genau mit den gemessenen Raten spontaner Mutationen überein. Für weitere Informationen und Referenzen siehe Vorhersage 5.8.

Viertens und schließlich verstehen wir, wie redundante Pseudogene entstehen, und wir haben die Entstehung neuer redundanter Pseudogene im Labor und in der Natur beobachtet. Redundante Pseudogene entstehen durch Gen-Duplikation und anschließende Mutation. Viele beobachtete Prozesse sind bekannt dafür, Gene zu duplizieren, einschließlich Transpositionereignisse, chromosomale Duplikation und ungleiche Crossing-Over von Chromosomen.

Diese Fakten bieten starke Unterstützung für den Schluss, dass die meisten Pseudogene wenig, wenn überhaupt, Funktion haben. Wie bei Transpositionen (siehe Vorhersage 4.3) ist die Entstehung neuer redundanter Pseudogene durch Gen-Duplikation ein seltenes und zufälliges Ereignis, und natürlich wird jede duplizierte DNA vererbt. Daher ist das Finden desselben Pseudogens an derselben chromosomalen Stelle bei zwei Arten ein starker Beleg für gemeinsame Abstammung.

Bestätigung:

Es gibt sehr viele Beispiele für redundante Pseudogene, die zwischen Primaten und Menschen geteilt werden. Eines davon ist das Ψ-Globin-Gen, ein Hämoglobin-Pseudogen. Es wird nur bei Primaten geteilt, an der exakten chromosomalen Position, mit denselben Mutationen, die seine Funktion als protein-codierendes Gen zerstören (Goodman et al. 1989). Ein weiteres Beispiel ist das Steroid-21-Hydroxylase-Gen. Menschen haben zwei Kopien des Steroid-21-Hydroxylase-Gens: eine funktionierende und eine nicht übersetzte Pseudogen-Version. Die Inaktivierung des funktionierenden Gens führt zu kongenitaler Nebennierenhyperplasie (CAH, eine seltene und schwere genetische Erkrankung), was einen positiven Beweis dafür liefert, dass das 21-Hydroxylase-Pseudogen seine richtige Funktion vermisst. Sowohl Schimpansen als auch Menschen teilen dieselbe acht Basenpaare umfassende Deletion in diesem Pseudogen, die es unfähig macht, seine normale Funktion auszuüben (Kawaguchi et al. 1992).

Potenzielle Falsifizierung:

Wie oben erklärt, sind beobachtete Gen-Duplikationen seltene und zufällige Ereignisse. Daher ist es höchst unwahrscheinlich, dass andere Säugetiere dieselben redundanten Pseudogene an denselben chromosomalen Positionen mit denselben Mutationen aufweisen, die ihre normalen Funktionen lahmlegen. Zum Beispiel ist es im Wesentlichen unmöglich, dass Mäuse das 21-Hydroxylase-Pseudogen an derselben genomischen Position mit derselben acht Basenpaaren langen Deletion tragen, die seine enzymatische Funktion zerstört.

Darüber hinaus wird ein Gen, sobald es dupliziert wurde und Mutationen es zu einem redundanten Pseudogen gemacht haben, von allen Nachkommen vererbt. Somit erfordert die gemeinsame Abstammung, dass alle phylogenetisch intermediären Organismen, sofern bestimmte Organismen gefunden werden, die dasselbe Pseudogen tragen, ebenfalls dieses Pseudogen tragen müssen. Nehmen wir zum Beispiel an, wir stellen fest, dass Menschen und alte Welt-Affen ein bestimmtes redundantes Pseudogen teilen. Gemäß der gemeinsamen Abstammung müssen alle Affen (einschließlich Schimpansen, Gorillas, Orang-Utans und Siamangs) ebenfalls notwendigerweise dasselbe redundante Pseudogen an derselben chromosomalen Stelle tragen. Dieser Schluss beruht auf der Prämisse, dass es keine Mechanismen gibt, um Pseudogene aus Genomen zu entfernen (oder dass diese Mechanismen sehr ineffizient sind). Dies scheint bei Wirbeltieren der Fall zu sein, aber einige Organismen mit kurzen Generationszeiten, wie Bakterien, Protisten und Drosophila, sind bekannt dafür, Mechanismen zu besitzen, die überschüssige DNA entfernen.

Beachten Sie, dass diese Bestätigung und mögliche Falsifizierung unabhängig davon ist, ob ein spezifisches Pseudogen eine Funktion hat oder vollständig funktionslos ist, aus denselben Gründen, die in der Vorhersage zu morphologischen Relikten erläutert werden. Wie jedes andere genetische Element oder organismische Struktur kann evolutionärer Opportunismus ein Pseudogen übernehmen und es zu einer neuen und anderen Funktion zwingen.

Vorhersage 4.5: Molekulare Beweise – Endogene Retroviren

Abbildung 4.4.1. Einlagerungen des menschlichen endogenen Retrovirus K (HERV-K) an identischen chromosomalen Stellen bei verschiedenen Primaten (Nachdruck aus Lebedev et al. 2000, © 2000, mit Genehmigung von Elsevier Science).

Endogene Retroviren bieten ein weiteres Beispiel für molekulare Sequenzevidenz für die universelle gemeinsame Abstammung. Endogene Retroviren sind molekulare Überreste einer vergangenen parasitären Virusinfektion. Gelegentlich finden sich Kopien eines Retrovirus-Genoms im Genom des Wirts, und diese retroviralen Genkopien werden als endogene retrovirale Sequenzen bezeichnet. Retroviren (wie das AIDS-Virus oder HTLV1, das eine Form von Leukämie verursacht) erstellen eine DNA-Kopie ihres eigenen Virusgenoms und setzen sie in das Genom ihres Wirts ein. Wenn dies bei einer Keimzelllinie (d. h. den Samenzellen oder Eizellen) geschieht, wird das retrovirale DNA von den Nachkommen des Wirts vererbt. Auch dieser Prozess ist selten und relativ zufällig, sodass das Finden von Retrogenen in identischen chromosomalen Positionen bei zwei verschiedenen Spezies auf eine gemeinsame Abstammung hinweist.

Bestätigung:

Beim Menschen belegen endogene Retroviren etwa 1 % des Genoms, insgesamt bilden sie ~30.000 verschiedene Retroviren aus, die in der genomischen DNA jeder Person eingebettet sind (Sverdlov 2000). Es gibt mindestens sieben bekannte Fälle von gemeinsamen Retrogen-Einschleusungen zwischen Schimpansen und Menschen, und diese Zahl wird sicher zunehmen, sobald die Genome beider Organismen sequenziert sind (Bonner et al. 1982; Dangel et al. 1995; Svensson et al. 1995; Kjellman et al. 1999; Lebedev et al. 2000; Sverdlov 2000). Abbildung 4.4.1 zeigt einen phylogenetischen Baum mehrerer Primaten, einschließlich des Menschen, aus einer jüngeren Studie, die zahlreiche gemeinsame endogene Retroviren in den Genomen dieser Primaten identifizierte (Lebedev et al. 2000). Die Pfeile bezeichnen die relativen Einschleusungszeiten der viralen DNA in das Wirtsgenom. Alle Äste nach dem Einschleusungspunkt (nach rechts) tragen diese Retroviral-DNA – ein Spiegel der Tatsache, dass einmal ein Retrovirus in die Keimbahn-DNA eines bestimmten Organismus eingeschleust wurde, wird es von allen Nachkommen dieses Organismus vererbt.

Die Felidae (d. h. Katzen) liefern ein weiteres Beispiel. Der Standard-phylogenetische Baum zeigt, dass kleine Katzen später divergieren als große Katzen. Die kleinen Katzen (z. B. der Dschungelkatze, der Europäischen Wildkatze, der Afrikanischen Wildkatze, der Schwarzfußkatze und der Hauskatze) teilen eine spezifische retrovirale Geninsertion. Im Gegensatz dazu fehlt dieses Retrogen bei allen anderen getesteten Raubtieren (Futuyma 1998, S. 293-294; Todaro et al. 1975).

Potenzielle Falsifizierung:

Makroevolutionär würde es keinen Sinn ergeben, wenn bestimmte andere Säugetiere (z. B. Hunde, Kühe, Schnabeltaten, etc.) dieselben Retrogene an den exakt gleichen chromosomalen Positionen besäßen. Zum Beispiel wäre es unglaublich unwahrscheinlich, dass Hunde auch die drei HERV-K-Insertionen tragen, die einzigartig für den Menschen sind, wie oben rechts in Abbildung 4.4.1 dargestellt, da keine anderen Primaten diese retroviralen Sequenzen besitzen.

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