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Die adaptive Evolution des Transkriptionsfaktors FOXP2 als mögliche Voraussetzung für die Entstehung des menschlichen Sprechens Dominique Kaspar

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Dominique Kaspar. Die adaptive Evolution des Transkriptionsfaktors FOXP2 als mögliche Voraussetzung für die Entstehung des menschlichen Sprechens. Dominique Kaspar. Die adaptive Evolution des Transkriptionsfaktors FOXP2 als mögliche Voraussetzung für die Entstehung des menschlichen Sprechens. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Dominique Kaspar

Die adaptive Evolution des Transkriptionsfaktors FOXP2 als mögliche Voraussetzung für die Entstehung des menschlichen

Sprechens

Dominique Kaspar

Page 2: Dominique Kaspar

Die adaptive Evolution des Transkriptionsfaktors FOXP2 als mögliche Voraussetzung für die Entstehung des menschlichen

Sprechens

Dominique Kaspar

Page 3: Dominique Kaspar

Gliederung

EXKURS: Adaptive Evolution? EXKURS: Transkriptionsfaktor? Was ist FOXP2? Humanes FOXP2 als rezente Mutation in

der Phylogenie des Menschen FOXP2 im Mausmodell Quellen

Page 4: Dominique Kaspar

EXKURS: Adaptive Evolution?

Motoo Kimura

„Evolutionary Rate at the Molecular Level“ Nature 217, 624 - 626 (17 Februar 1968)

Page 5: Dominique Kaspar

EXKURS: Adaptive Evolution?

Fast alle evolutionären Veränderungen auf molekularer Ebene der DNS basieren auf genetischer Drift, nicht auf adaptiven Vorteilen

Page 6: Dominique Kaspar

EXKURS: Adaptive Evolution?

Fast alle evolutionären Veränderungen auf molekularer Ebene der DNS basieren auf genetischer Drift, nicht auf adaptiven Vorteilen

„Neutralisten“ vs. „Selektionisten“

Page 7: Dominique Kaspar

EXKURS: Adaptive Evolution?

Fast alle evolutionären Veränderungen auf molekularer Ebene der DNS basieren auf genetischer Drift, nicht auf adaptiven Vorteilen

„Neutralisten“ vs. „Selektionisten“ Theorie ist kompatibel mit Darwin,

behauptet nur größere Rolle der genetischen Drift auf molekularer Ebene

Page 8: Dominique Kaspar

EXKURS: Adaptive Evolution?

Fast alle evolutionären Veränderungen auf molekularer Ebene der DNS basieren auf genetischer Drift, nicht auf adaptiven Vorteilen

„Neutralisten“ vs. „Selektionisten“ Theorie ist kompatibel mit Darwin,

behauptet nur größere Rolle der genetischen Drift auf molekularer Ebene

→ FOXP2 als seltene adaptive evolutionäre Veränderung auf molekularer Ebene

Page 9: Dominique Kaspar

EXKURS: Transkriptionsfaktor?

In Eukaryoten: Übersetzung der DNA in RNA (= Bildung von Proteinen) durch RNA-Polymerase

Page 10: Dominique Kaspar

EXKURS: Transkriptionsfaktor?

In Eukaryoten: Übersetzung der DNA in RNA (= Bildung von Proteinen) durch RNA-Polymerase

RNA Polymerase benötigt zur Bindung an die DNA spezifische Transkriptionsfaktoren, d.h. Proteine, die die Bindung der RNA-Polymerase an den Promoter des jeweiligen Gens vermitteln

Page 11: Dominique Kaspar

EXKURS: Transkriptionsfaktor?

→ insgesamt etwa 50 Proteine sind mit der RNA-Polymerase assoziiert→ Proteinkomplex mit einem Molekulargewicht von über 3 Millionen Dalton→ Bei der Bindung an den Promoter bedeckt der Initiationskomplex ca. 110

Nukleotidpaare der DNA und reicht ca. 30 Nukleotidpaare in das eigentliche Gen hinein

Page 12: Dominique Kaspar

EXKURS: Transkriptionsfaktor?

→ insgesamt etwa 50 Proteine sind mit der RNA-Polymerase assoziiert→ Proteinkomplex mit einem Molekulargewicht von über 3 Millionen→ Bei der Bindung an den Promoter bedeckt der Initiationskomplex ca. 110

Nukleotidpaare der DNA und reicht ca. 30 Nukleotidpaare in das eigentliche Gen hinein

→ Wirkung über die Beeinflussung der Transkriptionsstärke zahlreicher Gene

→ Veränderungen können sich über die Expression unterschiedlicher Gene potenzieren

Page 13: Dominique Kaspar

Was ist FOXP2?

Page 14: Dominique Kaspar

Was ist FOXP2?

Page 15: Dominique Kaspar

Was ist FOXP2?

→ 2 der 3 Aminosäure Substitutionen von der Maus hin zum Menschen fanden nach der Abspaltung des Menschen und des Schimpansen von ihrem gemeinsamen Vorfahren statt

Page 16: Dominique Kaspar

Was ist FOXP2?

Bei Menschen führt eine Punktmutation in FOXP2 zu schwerwiegenden Problemen bei der Artikulation von Sprache (orofaciale Bewegungen)

Page 17: Dominique Kaspar

Was ist FOXP2?

Bei Menschen führt eine Punktmutation in FOXP2 zu schwerwiegenden Problemen bei der Artikulation von Sprache (orofaciale Bewegungen)

Kognitive Leistungen sind weitgehend unbeeinflusst, d.h. das Sprachverständnis ist normal ausgebildet

Page 18: Dominique Kaspar

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in der Phylogenie des Menschen

Humanes FOXP2 ist nicht polymorph, d.h. alle Menschen tragen die gleiche Variante

Page 19: Dominique Kaspar

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in der Phylogenie des Menschen

Humanes FOXP2 ist nicht polymorph, d.h. alle Menschen tragen die gleiche Variante

→ Statistische Verfahren zeigen, dass eine neutrale genetische Drift als Ursache extrem unwahrscheinlich ist (adaptive Evolution)

Page 20: Dominique Kaspar

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in der Phylogenie des Menschen

Humanes FOXP2 ist nicht polymorph, d.h. alle Menschen tragen die gleiche Variante

→ Modellrechnungen für Beispielpopulationen bestimmen den Zeitpunkt der Durchsetzung der humanen FOXP2 Variante auf die letzten 300 - 400.000 Jahre (Entstehung Homo sapiens)

Page 21: Dominique Kaspar

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in der Phylogenie des Menschen

aDNA Untersuchung von Knochen des Neandertalers zeigt moderne FOXP2 Variante

Page 22: Dominique Kaspar

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in der Phylogenie des Menschen

aDNA Untersuchung von Knochen des Neandertalers zeigt moderne FOXP2 Variante

3 mögliche Szenarien:1) Genfluss Neandertaler ↔ Homo sapiens

2) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und Homo sapiens; „selective sweep“ nach Abspaltung

3) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und Homo sapiens; „selective sweep“ auf diesen Haplotyp

Page 23: Dominique Kaspar

Humanes FOXP2 als rezente Mutation in der Phylogenie des Menschen

aDNA Untersuchung von Knochen des Neandertalers zeigt moderne FOXP2 Variante

3 mögliche Szenarien:1) Genfluss Neandertaler ↔ Homo sapiens

2) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und Homo sapiens; „selective sweep“ nach Abspaltung

3) FOXP2 beim gemeinsamen Vorfahren von Neandertaler und Homo sapiens; „selective sweep“ auf diesen Haplotyp

→ 3. Szenario wird als wahrscheinlichste Erklärung angenommen, der „selective sweep“ über den Haplotyp, der die moderne menschliche Variante von FOXP2 trägt, fand also wahrscheinlich bereits vor ca. 300.000 – 400.000 Jahren statt

Page 24: Dominique Kaspar

FOXP2 im Mausmodell

Das Experiment: Einführung der beiden Aminosäure Substitutionen des humanen FOXP2 in transgene Mäuse

vs.

Page 25: Dominique Kaspar

FOXP2 im MausmodellFOXP2wt/ko FOXP2hum/hum

PhysiologieTod 3-4 Wochen nach GeburtSignifikant erhöhter Dopaminspiegel im GehirnSignifikant verringerte Langzeit-Depression (LTD)Signifikante Verringerung der synaptischen Plastizität im Striatum

gesundLeicht verringerter DopaminspiegelSignifikant erhöhte Langzeit-Depression (LTD)Signifikante Erhöhung der synaptischen Plastizität im Striatum

AnatomieLeicht verringerte Länge der DentritenErhöhte Anzahl von FettzellenHöhere RespirationsrateNiedrigerer Puls

Signifikant erhöhte Länge der Dentriten

EthologieErhöhte explorative AktivitätLeicht vermindertes motorisches LernvermögenErhöhter Konsum von Futter

Verringerte explorative Aktivität

Page 26: Dominique Kaspar

FOXP2 im Mausmodell

→ Veränderung der Dentriten in den Basalganglien (wt/wt vs. hum/hum)→ Basalganglien: beidseitige subkortikale Komplexe, die für wichtige Funktionen motorischer, kognitiver und limbischer Art bedeutsam sind

Page 27: Dominique Kaspar

FOXP2 im Mausmodell

→ Ultraschall-Vokalisation ist bei FOXP2(hum/hum) Mäusen subtil verändert: signifikant verschobene Modulation, niedrigere Minimum-, Median- und Maximumfrequenz bei gleichbleibender Häufigkeit der Rufe

Page 28: Dominique Kaspar

FOXP2 im Mausmodell

→ Ultraschall-Vokalisation ist bei FOXP2(hum/hum) Mäusen subtil verändert: signifikant verschobene Modulation, niedrigere Minimum-, Median- und Maximumfrequenz bei gleichbleibender Häufigkeit der Rufe→ Zusammenhang mit der Evolution des menschlichen Artikulationsvermögens?

Page 29: Dominique Kaspar

Quellen Enard et al., (2009) A Humanized Version of Foxp2 Affects Cortico-Basal Ganglia Circuits in Mice, Cell 137 issue 5

Enard et al., (2002) Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language, Nature 418

Krause et al., (2007) The derived FOXP2 variant of modern humans was shared with Neandertals, Current Biology 17

Enard, Wolfgang (2011) FOXP2 and the role of cortico-basal ganglia circuits in speech and language evolution, Current Opinion in Neurobiology 21 issue 3

FOXP2. (2012, January 31). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 16:53, February 4, 2012, from http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=FOXP2&oldid=474190965

Henning, Wolfgang (2002): Genetik: mit 72 Tabellen und 30 Technik-Boxen, 3. Aufl. Springer Lehrbuch 2002

Motoo Kimura. (2012, January 17). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 16:58, February 4, 2012, from http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Motoo_Kimura&oldid=471841474

Bildnachweis: S. 27 / 28: http://kasamaproject.org/2009/05/31/foxp2-human-speech-gene-changed-the-mouses-squeak/, Retrieved 16:59, February 4, 2012

Bildnachweis: S. 18-20: http://biodevaneios.blogspot.com/2010/12/o-caso-foxp2.html, Retrieved 16:51, February 4, 2012

Bildnachweis: S. 24: http://www.2-0.scienceticker.info/wp-content/uploads/2009/02/stockxpert_labormaus_300.jpg, Retrieved 16:50, February 4, 2012

Bildnachweis: S. 24: http://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Apodemus_sylvaticus_bosmuis.jpg&oldid=45562524&uselang=de, Retrieved 16:43, February 4, 2012