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EMBL
 Der Stammbaum des Lebens im Zeitalter der Genomik
Im Jahre 1870 veröffentlichte der deutsche Natur -
wissenschaftler Ernst Haeckel den ersten Stammbaum des
Lebens. Er stellt eine Zusammenstellung des damaligen
Wissens über die Abstammung der Lebewesen, auch
bekannt unter dem Begriff der Phylogenese dar.
Im März 2006 erschien in der Zeitschrift Science eine
neue Sichtweise zu diesem Thema, die sechs Forscher des
EMBL unter der Leitung von Peer Bork entwickelt hatten.
Zwischen diesen beiden Bildern liegen 136 Jahre. Auf den
ersten Blick scheinen sie keine Ähnlichkeit zu haben, doch
sie verfolgen beide die gleiche Absicht: die Rekonstruktion
der Entwicklung der Lebewesen bis zum heutigen Tag.
Ausgehend von dem Prinzip einer identischen Basis fand
man heraus, dass zwei Lebewesen, die ein gleiches
Merkmal teilen, einen gemeinsamen Vorfahren haben.
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| Stammbaum des Menschen - Pedigree of Man: 1870 entwickelte Ernst Haeckel
den ersten Stammbaum des Lebens, indem er die gesamte klassifizierte
Genealogie aller zu seiner Zeit bekannten lebenden Arten rekonstruierte.
Die Wurzeln dieses Baums bilden die Moneren (Prokaryoten) und an der
Spitze, sozusagen als Krönung, steht der Mensch. |
Was sich in fast einhundertfünfzig Jahren geändert hat, sind vor
allem die nach Gemeinsamkeiten untersuchten Merkmale. Zu
Haeckels Zeiten konnte nur die Morphologie der Lebewesen
untersucht werden. So interessierte man sich vor allem für Aufbau,
Skelette, Gebisse und die Anatomie der Organe. Fast ein Jahrhundert
lang haben sich Generationen von Biologen damit beschäftigt, den
Baum Haeckels zu verbessern und zu verfeinern.
In den 70er Jahren erfuhr diese Geduldsarbeit eine grundlegende
Veränderung. Die Entdeckung, dass die DNA Träger genetischer
Informationen ist, und der Fortschritt der Analysetechniken machten es
möglich, sich auf biochemische Merkmale anstelle der morphologischen
zu stützen: Aminosäuresequenzen in Proteinen, Basensequenzen der
Ribonukleinsäure (RNA) – sie stellen die Proteinbiosynthese dar – oder
auch Basensequenzen der Desoxyribonukleinsäure (DNA).
Zwei Jahrzehnte später fand ein neuer Umbruch statt. Auch er wurde
durch wichtige Fortschritte in der Analysetechnik ausgelöst. Durch die
Automatisierung der Genomsequenzierung – die Bioinformatik hatte
einen großen Aufschwung erlebt – konnte man nun riesige Datenmengen
vergleichen. Nun stützte sich die phylogenetische Rekonstruktion nicht
länger nur auf ein Gen oder ein Protein, sondern auf vollständige Genome.
Der horizontale Gentransfer
„Am Anfang brachten die neuen Informationen über die Genome mehr
Verwirrung als Aufklärung. Sie warfen mehr neue Fragen auf als alte zu
lösen“, betont Peer Bork. So wurde es zu einer der Hauptaufgaben der
Wissenschaftler, Ordnung in die Unordnung zu bringen, die durch die
Fülle der Sequenzierungsdaten entstanden war. Ihre Arbeit führte zur
Veröffentlichung des neuen „Stammbaums des Lebens“ in der
Zeitschrift Science. Das Projekt trägt denselben Titel wie das des
Naturwissenschaftlers Haeckel – „Rekonstruktion der Genealogie der
Lebewesen“ – nur mit dem Unterschied, dass nun die Genome die
Morphologie von damals ersetzen.
Zahlreiche Versuche in diese Richtung wurden schon unternommen,
die allerdings jedes Mal am horizontalen Gentransfer scheiterten.
Worum geht es hier? Es handelt sich um die Fähigkeit der Einzeller wie
Hefepilze oder Protozoen mit oder wie Bakterien ohne Zellkern, Gene
innerhalb der gleichen Generation auszutauschen.
Konsequenz: Das Grundprinzip jeder Phylogenese (Zuweisung eines
gemeinsamen Vorfahrens zu zwei Lebewesen mit demselben Merkmal)
ist dabei nicht anwendbar. Zwei Lebewesen können die gleichen
Merkmale haben, weil sie sie untereinander ausgetauscht und nicht weil
sie sie von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt haben. Der horizontale
Gentransfer ist eine komplizierte Angelegenheit, die es für die
Systematiker zu lösen gilt.
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Die Forscher um Peer Bork identifizierten in
Genomen von 191 untersuchten Lebewesen
31 gemeinsame Gene und wiesen auf diese Weise
eine phylogenetische Übertragung sicher nach.
So konnte dieses EMBL-Team einen neuen
Stammbaum des Lebens errichten, der 2006
in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde.
© Science Magazine, 2006. |
36 Gene und 191 Genome bilden einen Baukasten
Die Indizienverfolgung dieses horizontalen Gentransfers gehörte zu den
schwierigsten Aufgaben der Arbeitsgruppe des EMBL. Die Forscher
nahmen die Untersuchung der 191 Genome (1), denen ein Erbgut von
36 Genen gemeinsam ist, in Angriff. Selbst im Zeitalter der Bioinformatik
konnte diese Untersuchung nicht vollständig automatisiert werden. Man
musste geduldig und fast manuell die Indizien untersuchen, anhand
derer die Gene, die aus diesem horizontalen Transfer stammten, isoliert
werden konnten. Nach dieser geduldigen Kleinarbeit blieben nur noch 31
Gene übrig, die nun mit Sicherheit aus einer phylogenetischen Übertragung
stammen mussten.
Erst nach Abschluss dieser Vorauswahl wurden leistungsfähige
Bioinformatikprogramme entwickelt, mit denen nach dem Prinzip des
gemeinsamen Vorfahrens die Existenz dieser Gene in der Erbsubstanz
der 191 untersuchten Arten rekonstruiert werden sollte und so ein
neuer Stammbaum des Lebens erstellt werden konnte.
Die Kleinsten entwickeln sich am schnellsten
„Diese groß angelegte Studie wirft einige Vorstellungen über den
Haufen, die man über die Abstammung der Lebewesen gewonnen
hatte“, betont der Ire Christopher Creevey, ein Post-Doktorand in der
Arbeitsgruppe von Peer Bork. „Eine erste, fundamentale Erkenntnis
lässt sich daraus ableiten: Je kleiner die Genome, desto schneller
entwickeln sie sich.“ In gewisser Weise bedeutet dies, dass Bakterien
höher entwickelt sind als Säugetiere…
Ansonsten bietet der neue Stammbaum des Lebens nicht weniger als
fünfzehn Änderungen unserer Auffassung über die Genealogie der
Lebewesen. Eine der wichtigsten ist die Platzierung der Wirbeltiere und
der Insekten auf einer gemeinsamen Abstammungslinie, abweichend
von der der Fadenwürmer, auch Nematoden genannt. Seit Jahrzehnten
war man davon ausgegangen, dass Wirbeltiere über eine eigene
Abstammungslinie verfügten, die sich ganz klar von der der Nematoden
und Insekten abhebt.
„Seit der Veröffentlichung unserer Forschungsergebnisse in der
Zeitschrift Science, werden wir mit Fragen von Forschern überhäuft, die
Genaueres über den einen oder anderen Zweig unserer Phylogenese
wissen wollen, auf den sie sich spezialisiert haben – als ob man einen
Bildausschnitt vergrößern würde“, erzählt Christopher Creevy. Diese
Synthese wurde also ungeduldig von der Wissenschaftlergemeinde
erwartet, aber sie fand auch großen Anklang in der breiten Öffentlichkeit.
„Uns erreichten sogar Anfragen, in denen man um die Erlaubnis zum
Abdruck unseres Stammbaumes auf T-Shirts bat!“
Der Tag danach
Die äußerst faszinierende Frage nach dem Ursprung des Lebens auf
der Erde erscheint nun in einem neuen Licht. Der Stammbaum des
Lebens macht sehr deutlich, dass das erste Lebewesen auf der Erde in
einer sehr heißen Umwelt existiert haben muss. Vermutlich lebte es in
einer der heißen Quellen, die am Grund der Ozeane durch austretendes
Magma aus der Erdkruste vorkamen.
Der Stammbaum des Lebens wird sich weiter entwickeln, wenn
Sequenzierungsdaten neuer Genome fast automatisch hinzugefügt und
auf den vom EMBL verwalteten Webseiten veröffentlicht werden. Eine
Flut neuer Informationen könnte rasend schnell auf uns zukommen:
Während zum Zeitpunkt der Veröffentlichung in der Zeitschrift Science
erst 352 Genome sequenziert waren, stehen jetzt nicht weniger als
1000 vor ihrem Abschluss.
(1) 150 Bakteriengenome, 23 Eukaryotengenome – darunter die des Homo
sapiens – und 18 Archaengenome (sehr alte Bakterien mit einem Zellkern)
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