Die Studie untersucht die Versprechungen und Fallstricke der evolutionären Genomik

Der alexandrinische Astronom und Mathematiker Claudius Ptolemäus aus dem zweiten Jahrhundert hatte einen großen Ehrgeiz. In der Hoffnung, die Bewegung von Sternen und die Bahnen von Planeten zu verstehen, veröffentlichte er eine lehrreiche Abhandlung zu diesem Thema, die als Almagest bekannt ist. Ptolemäus schuf ein komplexes mathematisches Modell des Universums, das die Bewegungen der von ihm beobachteten Himmelsobjekte zu rekapitulieren schien.

Unglücklicherweise lag ein fataler Fehler im Herzen seines kosmischen Plans. Den Vorurteilen seiner Zeit folgend ging Ptolemäus davon aus, dass die Erde das Zentrum des Universums sei. Das ptolemäische Universum, das aus komplexen „Epizyklen“ besteht, um die Bewegungen von Planeten und Sternen zu erklären, ist seit langem in die Geschichtsbücher aufgenommen worden, obwohl seine Schlussfolgerungen über 1200 Jahre lang das wissenschaftliche Dogma blieben.

Das Gebiet der Evolutionsbiologie ist nicht weniger Gegenstand fehlgeleiteter theoretischer Ansätze, die manchmal beeindruckende Modelle hervorbringen, die dennoch nicht die wahre Funktionsweise der Natur vermitteln, die die schwindelerregende Vielfalt an Lebensformen auf der Erde formt.

Eine neue Studie untersucht mathematische Modelle, die entwickelt wurden, um Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie die Evolution auf der Ebene von Populationen von Organismen abläuft. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass solche Modelle mit größter Sorgfalt konstruiert werden müssen, ungerechtfertigte Anfangsannahmen vermeiden, die Qualität des vorhandenen Wissens abwägen und offen für alternative Erklärungen bleiben müssen.

Das Versäumnis, strenge Verfahren bei der Konstruktion von Nullmodellen anzuwenden, kann zu Theorien führen, die scheinbar mit bestimmten Aspekten der verfügbaren Daten aus der DNA-Sequenzierung übereinstimmen, aber die zugrunde liegenden Evolutionsprozesse, die oft sehr komplex und vielschichtig sind, nicht richtig aufklären.

Solche theoretischen Rahmen können überzeugende, aber letztendlich fehlerhafte Bilder davon liefern, wie die Evolution im Laufe der Zeit tatsächlich auf Populationen einwirkt, seien es diese Bakterienpopulationen, Fischschwärme oder menschliche Gesellschaften und ihre verschiedenen Wanderungen während der Vorgeschichte.

In der neuen Studie leitet Jeffrey Jensen, ein Forscher am Biodesign Center for Mechanisms of Evolution an der Arizona State University und Professor an der School of Life Sciences mit dem Center for Evolution & Medicine, eine Gruppe internationaler Koryphäen auf diesem Gebiet bei der Bereitstellung von Leitlinien für zukünftige Forschung. Zusammen beschreiben sie eine Reihe von Kriterien, die verwendet werden können, um die Genauigkeit von Modellen besser sicherzustellen, die statistische Schlussfolgerungen in der Populationsgenomik erzeugen – einer wissenschaftlichen Disziplin, die sich mit groß angelegten Vergleichen von DNA-Sequenzen innerhalb und zwischen Populationen und Arten befasst.

„Eine unserer Schlüsselbotschaften ist die Wichtigkeit, die Beiträge evolutionärer Prozesse zu berücksichtigen, die mit Sicherheit ständig in Betrieb sind (wie reinigende Selektion und genetische Drift), bevor man sich einfach auf hypothetische oder seltene evolutionäre Prozesse als Haupttreiber der beobachteten Populationsvariation verlässt ( positive Selektion)“, betonte Jensen.

Die Forschungsergebnisse erscheinen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift PLOS-Biologie.

Ein Feld wird erwachsen

Die Populationsgenomik entstand, als frühe Bemühungen auf diesem Gebiet versuchten, Charles Darwins Vorstellung von der Evolution durch natürliche Selektion mit den ersten Ahnungen der Vererbungsmechanismen in Einklang zu bringen, die vom Augustinermönch Gregor Mendel entdeckt wurden.

Die Synthese erreichte in den 1920er und frühen 30er Jahren ihren Höhepunkt, vor allem dank der mathematischen Arbeit von Fisher, Haldane und Wright, die als erste untersuchten, wie die natürliche Selektion zusammen mit anderen evolutionären Kräften die genetische Zusammensetzung der Mendelschen Populationen im Laufe der Zeit verändern würde.

Heutzutage umfassen Studien zur Populationsgenomik die groß angelegte Anwendung verschiedener genomischer Technologien, um die genetische Zusammensetzung biologischer Populationen zu untersuchen und zu untersuchen, wie verschiedene Faktoren, einschließlich natürlicher Selektion und genetischer Drift, im Laufe der Zeit Veränderungen in der genetischen Zusammensetzung hervorrufen.

Um dies zu erreichen, entwickeln Populationsgenetiker mathematische Modelle, die die Beiträge dieser Evolutionsprozesse zur Gestaltung der Genfrequenzen quantifizieren, verwenden diese Theorie, um statistische Inferenzansätze zur Schätzung der Kräfte zu entwerfen, die beobachtete Muster genetischer Variation in tatsächlichen Populationen erzeugen, und testen ihre Schlussfolgerungen anhand gesammelter Daten .

Die Würze des Lebens

Die Untersuchung der genomischen Variation konzentriert sich auf DNA-Sequenzunterschiede zwischen Individuen und Populationen. Einige dieser Varianten sind von entscheidender Bedeutung für die biologische Funktion, einschließlich Mutationen, die für genetische Erkrankungen verantwortlich sind, während andere keine nachweisbaren biologischen Wirkungen haben.

Eine solche Variation im menschlichen Genom kann mehrere Formen annehmen. Eine häufige Variationsquelle sind sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms oder SNPs, bei denen ein einzelner DNA-Buchstabe im Genom verändert wird. Aber auch Variationen im Genom in größerem Maßstab, bei denen Hunderte oder sogar Tausende von Basenpaaren gleichzeitig verändert werden, sind möglich. Wiederum können einige dieser Veränderungen eine Rolle für das Krankheitsrisiko und das Überleben spielen, während viele andere keine Wirkung haben.

Natürliche Selektion kann auftreten, wenn verschiedene Varianten, die sich in einer Population aufteilen, relativ zueinander einen Fitnessunterschied aufweisen. Durch die Entwicklung und Untersuchung mathematischer Modelle, die die entsprechende Änderung der Genfrequenz steuern, und die Anwendung dieser Modelle auf empirische Daten versuchen Populationsgenetiker, die beitragenden Evolutionsprozesse auf rigorose, quantitative Weise zu verstehen. Daher wird die Populationsgenetik oft als theoretischer Eckpfeiler der modernen darwinistischen Evolution angesehen.

Abdriften durch das Genom

Obwohl die Bedeutung der natürlichen Selektion für den Evolutionsprozess unbestreitbar ist, ist die Rolle der positiven Selektion bei der Erhöhung der Häufigkeit vorteilhafter Varianten – dem potenziellen Treiber der Anpassung – selbst im Vergleich zu anderen Formen der natürlichen Selektion sicherlich vergleichsweise selten. Beispielsweise ist die reinigende Selektion – das Entfernen schädlicher Varianten aus der Population – eine ständig wirkende und weit verbreitetere Form der Selektion.

Darüber hinaus gibt es mehrere nicht-selektive Evolutionsprozesse von großer Bedeutung. Gendrift beschreibt zum Beispiel die vielen stochastischen Schwankungen, die der Evolution innewohnen. In großen Populationen kann die natürliche Selektion effizienter wirken, indem sie schädliche Variationen beseitigt und möglicherweise vorteilhafte Variationen festlegt, während die genetische Drift zunehmend dominant wird, wenn Populationen kleiner werden.

Die Unterscheidung kann in dramatischer Form gesehen werden, wenn prokaryotische Organismen wie Bakterien mit Organismen verglichen werden, die aus eukaryotischen Zellen bestehen, einschließlich Menschen. Im ersteren Fall führen die enormen Populationsgrößen tendenziell zu einer effizienteren Selektion. Im Gegensatz dazu ist ein schwächerer Selektionsdruck, der in Eukaryoten wirkt, genomischen Veränderungen toleranter, vorausgesetzt, dass sie nicht stark schädlich sind.

Gemäß der Neutralen Theorie der Molekularen Evolution – ein heute führendes Prinzip der Evolutionstheorie, das vor über 50 Jahren vom Populationsgenetiker Motoo Kimura vorgeschlagen wurde – werden die meisten evolutionären Veränderungen auf molekularer Ebene in realen Populationen nicht durch natürliche Selektion, sondern durch genetische Drift bestimmt. Die Studie betont, dass dieser kritische Punkt von Evolutionsbiologen allzu oft übersehen wird. Wie Co-Autor Michael Lynch, Direktor des Biodesign Center for Mechanisms in Evolution der ASU, treffend feststellt: „Die natürliche Selektion ist nur einer von mehreren Evolutionsmechanismen, und das Versäumnis, dies zu erkennen, ist wahrscheinlich das größte Hindernis für eine fruchtbare Integration der Evolutionstheorie mit Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie.“

Die neue Konsensstudie betont ferner, dass ein Versäumnis, diese alternativen Evolutionsmechanismen, die mit Sicherheit funktionieren werden, einschließlich der genetischen Drift, zu berücksichtigen und sie in Modelle der Populationsgenomik zu integrieren, die Forscher wahrscheinlich in die Irre führen wird. Die verbreitete übermäßige Abhängigkeit von rein adaptiven Modellen zur Erklärung der genomischen Variation hat zu einer Reihe von Interpretationen von zweifelhaftem Wert geführt, behaupten die Autoren.

Die Studie stellt ein detailliertes Flussdiagramm dar, das bei der Entwicklung genauerer Modelle helfen kann, die verwendet werden, um evolutionäre Schlussfolgerungen auf der Grundlage von Genomdaten zu ziehen. Zu den biologischen Parametern, die zwischen den Arten variieren, gehören nicht nur evolutionäre Variablen wie Populationsgröße, Mutationsraten, Rekombinationsraten sowie Populationsstruktur und -geschichte, sondern auch die Art und Weise, wie das Genom selbst strukturiert ist, und Merkmale der Lebensgeschichte, einschließlich des Paarungsverhaltens. Alle diese Faktoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der beobachteten molekularen Variation und Evolution.

„Während diese vielen Überlegungen für einige Forscher entmutigend klingen mögen, ist es wichtig zu beachten, dass viele exzellente Forschungsgruppen an der ASU und auf der ganzen Welt aktiv unser Verständnis dieser zugrunde liegenden evolutionären Parameter verbessern und ständig bessere Schlussfolgerungen liefern, beispielsweise von Mutationen und Rekombinationsraten“, ergänzt Co-Autorin Susanne Pfeifer, Assistenzprofessorin am Center for Evolution & Medicine und am Biodesign Center for Mechanisms of Evolution.

Wo sich einst theoretische Modelle in der Populationsgenomik neben relativ spärlichen Genomdaten vermehrten, hat heute eine Lawine von Daten, die durch die schnelle, kostengünstige DNA-Sequenzierung von Organismen über den Baum des Lebens ermöglicht wird, das Gebiet dramatisch verändert. Die sorgfältige und umsichtige Nutzung dieser Goldmine genomischer Daten wird dazu beitragen, die strengsten Modelle voranzutreiben, um die vielen verbleibenden Geheimnisse der Evolution zu entschlüsseln.