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29.05.09 Mäuse mit menschlichem FOXP2-Gen weisen im Gehirn Änderungen auf

Sind wenige Mutationen in FOXP2 für Sprachbegabung verantwortlich?

Auch wenn sie nicht sprechen können - ein Mausmodell verrät Neues über mögliche Funktionen von FOXP2

Unter der Leitung von Wolfgang Enard vom Max-Planck Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig hat ein internationales Forscherteam eine wichtige Grundlage für das Verständnis der menschlichen Evolution geschaffen: Erstmals entwickelten die Forscher ein Mausmodell, mit dem sich Aspekte der Evolution von Sprache rekonstruieren lassen könnten. Die Forscher untersuchten Mäuse, die die menschliche Variante des FOXP2-Gens trugen. Die Tiere zeigten Änderungen in den neuronalen Schaltkreisen der Basalganglien, die beim Menschen vermutlich für die Evolution des Sprechens wichtig waren.

Abb. 1: Änderungen in Nervenzellen (gelb gefärbt) haben bei der Evolution der Sprache wohl eine wichtige Rolle gespielt. Dies fanden Forscher in Leipzig mittels genetisch veränderten Mäusen heraus.
Quelle: Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie

Welche genetischen Veränderungen ermöglichten die Ausbildung der besonderen menschlichen Eigenschaften im Verlauf der vergangenen sechs Millionen Jahre seit sich die Entwicklungslinien von Mensch und Schimpanse trennten? Das ist eine der spannendsten Fragen in der genetischen Forschung. Eine herausragende Eigenschaft des Menschen ist seine Fähigkeit zu sprechen. Zwei genetische Änderungen in dem Gen FOXP2 stehen seit längerem in Verdacht, bei der Evolution von Sprache eine Rolle gespielt zu haben. Die jetzt veröffentlichte Arbeit untersucht erstmals die funktionellen Folgen dieser genetischen Änderungen, und zwar im Modellorganismus Maus.

Abb. 2: FOXP2 an DNA gebunden.
Quelle: PDB, DOI: 10.2210/pdb2a07/pdb

FOXP2 und Sprache

Das vom FOXP2-Gen kodierte Protein ist ein Transkriptionsfaktor, der dazu dient, die Aktivität von möglicherweise bis zu 1000 Genen zu regulieren, indem er durch Bindung an die DNA der RNA-Polymerase eine Plattform zur Verfügung stellt. FOXP-2 wird allgemein mit Genen zur Ausbildung der Sprachfähigkeit in Verbindung gebracht, da das Gen für FOXP2 zuerst bei Untersuchungen bei einer Londoner Familie entdeckt wurde, bei der zahlreiche Angehörige unter schweren Sprachstörungen litten.

FOXP2 steht somit im Mittelpunkt von Analysen der menschlichen Evolution: Es ist das bisher einzige Gen, das gut mit der menschlichen Sprachfähigkeit assoziiert ist. Menschen, die nur eine statt zwei funktioneller Kopien dieses Gens besitzen, haben große Schwierigkeiten sprechen zu lernen; andere Fähigkeiten sind dagegen gar nicht oder wesentlich schwächer betroffen. Außerdem hat sich FOXP2 auffällig während der menschlichen Evolution geändert: Während sich in den über 100 Millionen Jahren Evolution, die Nagetiere von Primaten trennt, nur eine einzige Aminosäure im FOXP2-Protein geändert hat, sind in den letzten sechs Millionen Jahren menschlicher Evolution hingegen gleich zwei Aminosäureänderungen aufgetreten. Um diese Assoziationen funktionell zu untersuchen, etablierte die Forschungsgruppe um Wolfgang Enard am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie ein entsprechendes Mausmodell.

"Humanisierte" Mäuse

Die Forscher änderten das Erbgut der Mäuse so, dass deren FOXP2-Gen die beiden menschlichen Änderungen besaß. Diese "humanisierten" Mäuse verglichen sie dann mit ihren normalen Geschwistern mit der mauseigenen FOXP2-Variante. In einer umfassenden Untersuchung in der Deutschen Mausklinik in München zeigte sich, dass das "humanisierte" FOXP2 keinen Einfluss auf über 200 physiologische und morphologische Parameter hatte. Abweichungen fanden sich aber in einigen Verhaltenstests, "und das deutet darauf hin, dass die menschlichen Änderungen in FOXP2 vor allem das Gehirn betreffen", sagt Wolfgang Enard.

Änderungen in neuronalen Schaltkreisen

Weitere Untersuchungen förderten auffällige Veränderungen in einem Teil des Gehirns, den sogenannten Basalganglien zutage. So zeigten Nervenzellen dort nach Stimulation eine verstärkte synaptische Plastizität - eine Reaktion, die für Lernen und Gedächtnisbildung wichtig ist. Mäuse, die nur eine funktionelle Kopie des FOXP2-Gens besaßen, offenbarten entgegengesetzte Effekte. Möglicherweise sind es Änderungen in diesen neuronalen Schaltkreisen, die bei Menschen mit nur einer funktionellen Kopie von FOXP2 zu Sprachdefiziten führen. Die zwei funktionellen Kopien der menschlichen Variante von FOXP2 sollten somit im Laufe der menschlichen Evolution das Erlernen von Sprache ermöglicht haben. "Vorstellbar wäre, dass das menschliche FOXP2-Gen eine bessere Koordination der zum Sprechen nötigen Muskeln bewirkt", spekuliert Enard.

Mäuse können zwar nicht sprechen - sie verständigen sich mit Ultraschalllauten - die Forscher fanden jedoch heraus, dass diese bei den "humanisierten" Mäusen eine leicht niedrigere Tonhöhe haben. "Um dieses Ergebnis wirklich interpretieren zu können", sagt Enard, "muss erst die Verbindung zwischen diesen angeborenen Lauten und der erlernten menschlichen Sprache besser erforscht werden." Noch sind also viele Fragen offen. Doch die Studie zeigt auf, wie man menschliche Evolution in einem Mausmodell untersuchen kann. "Das ist ein kleines, aber vielleicht wichtiges Puzzle-Teil in der menschlichen Evolution. Wir erwarten kein einfaches, wohl aber ein spannendes Puzzle", so der Max-Planck-Forscher.

Quelle:

A humanized version of Foxp2 affects cortico-basal ganglia circuits in mice
W. Enard, et. al., Cell 2009, DOI: 10.1016/j.cell.2009.03.041

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Mäuse mit menschlichem FOXP2-Gen weisen im Gehirn Änderungen auf
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2009mai/foxp2.shtm)

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