Neutrale Theorie der molekularen Evolution

Dieneutrale Theorie der molekularen Evolution(englischneutral theory of molecular evolution) ist ein Teilaspekt derEvolutionstheorie,sie wurde in den späten 60er Jahren vonMotoo Kimurabegründet. Ihre Kernaussage ist, dass die meisten genetischen Veränderungen bezüglich dernatürlichen Selektionneutral sind, dem Individuum also keine direkten Vor- oder Nachteile bieten. Daraus folgt, dass zufällige Ereignisse wie dieGendriftfür die Evolution der genetischen Information eine weitaus größere Rolle spielen als solche Veränderungen, die durch Selektion getrieben werden. Die neutrale Theorie der molekularen Evolution schließt dabei aber die Bedeutung selektionsgetriebener Veränderungen für bestimmte Gensequenzen ausdrücklich nicht aus. Während diese Sequenzen für den beobachtbaren und daher auch selektierbarenPhänotypeine große Rolle spielen können, machen sie aber nur einen kleinen Teil der genetischen Information aus.

Geschichte

Dieneutrale Theoriewurde in den 1960er Jahren vonMotoo Kimuraformuliert. Er hatte durch Vergleiche derAminosäuresequenzenvon Proteinen bei verschiedenenArtenherausgefunden, dass die Evolutionsrate der Aminosäuresequenzen einiger Proteine konstant ist. Diese Konstanz lässt sich nicht durch Selektion, sondern nur durch die genetischen Drift erklären. Sie stellte ein Gegengewicht zur damals verbreiteten Ansicht dar, jede Mutation sei für die Selektion bedeutend. Sie war jedoch ausdrücklich kein Gegenentwurf zur Selektionstheorie, sondern eine Erweiterung.

Der Titel eines Aufsatzes von J. L. King und T. H. Jukes,Non-Darwinian EvolutioninScience(Band 164, 1969, S. 788 ff.) führte allerdings zu einer Diskussion, ob dieneutrale Theorieund die Molekularbiologie die Evolutionstheorie Darwinscher Prägung nicht generell in Frage stellen. Es war jedoch bald klar, dass dies nicht der Fall ist. Sie zeigen jedoch, dass nicht alle Mutationen der Selektion unterliegen (sogenannte stille Mutationen).

In der sogenannten Neutralisten-Selektionisten-Debatte ging es zunächst darum, ob es neutrale Mutationen überhaupt gibt. Dies ist heute allgemein anerkannt. Diskutiert wird nach wie vor, wie groß der Anteil der neutralen Mutationen ist.

Ursachen und Auftreten neutraler Mutationen

Verschiedene Veränderungen desErbgutskönnen zu selektionsneutralenMutationenführen. Zum einen ist dergenetische Codedegeneriert,so dass Veränderungen derNukleotidsequenzin derNukleinsäurenicht unbedingt zu Veränderungen derAminosäuresequenzeinesProteinsführen. Des Weiteren sind auch viele Aminosäureaustausche auf Grund ähnlicher Eigenschaften hinsichtlich derProteinbiosynthesefür die Form und Funktion des gebildeten Proteins weitgehend neutral. Dazu kommt, dass große Teile der meistenGenomegar nicht Proteine codieren.

Vergleiche verschiedenster proteincodierender Gene beiMenschenund bei verschiedenenNagetierenzeigten, dass die Rate synonymerMutationen,also solcher, bei denen sich die Aminosäuren-Sequenz nicht ändert, wesentlich höher ist als die Rate nicht-synonymer Mutationen, also solcher, die nicht neutral sind.

Die Mutationsrate ist in Sequenzen, die nicht Proteine codieren, höher: ImIntrondes Gens fürInsulinist die Mutationsrate etwa 6-mal höher als in den beidenExons.Dies erklärt sich dadurch, dass solche Abschnitte wesentlich weniger derSelektionunterliegen als die proteincodierenden. Synonyme Mutationen sind auch in verschiedenen Linien derSäugetieregleich häufig, während nicht-synonyme Mutationen etwa beiPrimatenwesentlich seltener sind als bei Nagetieren. Am höchsten ist die Mutationsrate inPseudogenen,die gar nichttranskribiertwerden.

Bedeutung

Eine wichtige Folgerung aus derneutralen Theorieist, dass neutrale Mutationen, zumindest innerhalb ähnlicher Lebensformen, mit einer konstanten Rate erfolgen. Darauf beruht das heute in der Evolutionsforschung häufig verwendete Konzept dermolekularen Uhr.

Für das Verständnis der Mechanismen der Evolution spielt dieneutrale Theoriebesonders bei der Erklärung derEvolvierbarkeit(evolvability) oder auch der Fähigkeit zur Selbstanpassung (self-adaptability) eine Rolle. Da neutrale Mutationen die biologischeFitnessunter den gegebenen Bedingungen nicht verändern, können durch sie Merkmale variieren, die bei veränderten Umweltbedingungen für die Selektion relevant werden. Außerdem können selektionsneutrale Mutationen das Potential für eine darauffolgende, selektionsrelevante Änderung beeinflussen. So codieren beispielsweise 9 verschiedeneNukleinsäuretriplettsfür dieAminosäureArginin.Bei CGA ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Punkt-Mutationweiterhin Arginin codiert wird, 4/9. Bei AGA hingegen ist die Wahrscheinlichkeit 2/9. Trotz neutraler Wirkung auf den Phänotyp verändert also eine Mutation der ersten Base das Potential einer weiteren Mutation, den Phänotyp zu beeinflussen.

Literatur

• M. Kimura. The Neutral Theory of Molecular Evolution. Cambridge University Press, 1983.
• Douglas J. Futuyma:Evolution.Sinauer, Sunderland 2005, S. 235–240.ISBN 0-87893-187-2
• Naoyuki Takahata:Neutral theory of molecular evolution.In:Current Opinion in Genetics & Development.Band6,Nr.6,1996,S.767–772(englisch).