Evolutionsbeweis durch ERV – verfeinerte Methoden und Einwand 6

Außer dem einfachen Beweis gibt es andere Möglichkeiten, anhand von DNA Abstammungen zu ermitteln. Diese möchte ich kurz vorstellen, bevor ich mich mit Einwand 6 beschäftige:

„Die aus ERV ermittelten Stammbäume sind inkonsistent“.

Verschiedene Methoden, Stammbäume zu konstruieren

„Tote Gene“ oder „Pseudogene“ sagen viel über die Vergangenheit einer Tierart aus. Zum Beispiel haben Wale eine große Anzahl deaktivierter Gene für Geruchsrezeptoren, die nutzlos wurden, als ihre Vorfahren ins Wasser gingen und die Geruchswahrnehmung über die Nase unwichtig wurde.

Ein anderes Beispiel ist das Gen GLO für die Bildung von Vitamin C, das bei Säugetieren grundsätzlich vorhanden ist, aber bei Meerschweinchen, Flughunden und Affen deaktiviert wurde, weil sie genug Vitamin C über die Nahrung aufnehmen. Bei allen Affen erfolgte die Deaktivierung an exakt derselben Stelle, was nahelegt, dass diese Mutation bei einem gemeinsamen Vorfahren geschah. Beim Meerschweinchen war es eine andere Mutation.

Im inaktiven Pseudogen GLO blieb es nicht bei einer Mutation, sondern es kamen im Laufe der Jahrmillionen weitere hinzu. Bei jeder Aufspaltung von Arten wurden die schon vorhandenen Mutationen weiter vererbt, so dass man nun anhand der Ähnlichkeit von GLO in verschiedenen Affenarten deren Stammbaum konstruieren kann.

Die GLOs von Menschen und Schimpansen haben eine große Übereinstimmung, weil nur in den letzten 6 Millionen Jahren Abweichungen hinzugekommen sind. Bei Menschen und Rhesusäffchen sind die Abweichungen zahlreicher, weil sie über einen viel längeren Zeitraum angehäuft wurden.

Über die Möglichkeiten, ERVs für stammesgeschichtliche Untersuchungen auszuwerten, schreiben Johnson und Coffin 1999 (PDF):

Endogenous retrovirus loci provide no less than three sources of phylogenetic signal
Die Einfügestellen endogener Retroviren liefern auf drei Arten Informationen über die Abstammung

First, the distribution of provirus-containing loci among taxa dates the insertion.
Erstens: Die Verteilung der Einfügestellen über die Arten zeigt den Zeitpunkt der Einfügung.

Das ist der „einfache Beweis“. Angesichts der Größe des Genoms und des weitgehend zufälligen Einfügeortes ist es höchst unwahrscheinlich, dass dieselbe Stelle zweimal getroffen wurde. Zudem ist kein Mechanismus bekannt, der ein Provirus so entfernen könnte, dass die Einfügestelle wieder so aussieht wie vorher.

Second, as with other sequence-based phylogenetic analyses, mutations in a provirus that have accumulated since the divergence of the species provide an estimate of the genetic distance between the species.
Zweitens: Wie bei anderen sequenzbasierten Stammbaum-Analysen liefern Mutationen, die sich seit der Trennung der Arten in einem Provirus angesammelt haben, den ungefähren genetischen Abstand der Arten.

Das ist die Betrachtung, die ich gerade mit dem Vitamin-C-Beispiel vorgestellt habe.

Third, sequence divergence between the LTRs at the ends of a given provirus provides an important and unique source of phylogenetic information.
Drittens: Der Unterschied zwischen den beiden LTRs an den Enden eines Provirus liefert eine wichtige und einzigartige Informationsquelle.

Die LTRs sind nämlich zum Zeitpunkt der Einfügung erstmal identisch und sammeln dann Mutationen an. Da man die Mutationsraten ungefähr kennt, kann man aus dem Unterschied zwischen den beiden LTRs eines Provirus den ungefähren Einfügezeitpunkt berechnen.

Zudem kann man, wie bei „Zweitens“, die Mutationen der LTRs auswerten, um daraus Stammbäume zu konstruieren. Die Verknüpfung der Stammbäume des 5′- und des 3′-LTRs liefert dabei eine größere Sicherheit, weil man gleich weiß, dass etwas schiefgegangen ist, wenn sie nicht übereinstimmen. Wenn die LTRs nicht nur durch Punktmutationen sondern durch umfangreichere Verschiebungen im Genom verändert wurden, versagen sowohl die Bestimmung des Einfügezeitpunkts als auch die stammesgeschichtliche Analyse.

Bis auf einen solchen Ausreißer war die Studie von Johnson und Coffin erfolgreich:

The HERVs analyzed above include six unlinked loci, representing five unrelated HERV sequence families. Except where noted, these sequences gave trees that were consistent with the well established phylogeny of the old world primates, including OWMs, apes, and humans.
Die hier untersuchten HERVs befinden sich an sechs voneinander unabhängigen Stellen und repräsentieren fünf HERV-Familien. Soweit nicht anders vermerkt stimmten die Stammbäume mit der bekannten Phylogenie der Altweltaffen überein.

Sechs Jahre später führten Hughes und Coffin, 2005 eine ähnliche Studie durch. Bei 15 ERVs brachte die LTR-Analyse neunmal den erwarteten Stammbaum. Sechsmal gab es Abweichungen, wobei viermal die verursachende Rekombination nachgewiesen wurde.

Ebenfalls 2005 verfolgten Schmitz, Roos und Zischler einen etwas anderen Ansatz und werteten SINEs (short interspersed elements) für phylogenetische Untersuchungen aus. SINEs sind möglicherweise Reste von ERVs. Sie haben keine eigene Reverse Transkriptase mehr, liegen aber in zahlreichen Kopien vor. Dass SINEs durch unabhängige Ereignisse an dieselbe Stelle in Genom gelangen, ist zwar möglich, aber so selten, dass man SINEs ebenso wie ERVs für die Konstruktion von Stammbäumen nutzen kann.

Genaueres zu phylogenetischen Untersuchungen mittels LINEs, SINEs und ALUs findet man auch in der Ausarbeitung von Dr Graeme Finlay.

Einwand 6: „Die aus ERV ermittelten Stammbäume sind inkonsistent“

Detectingdesign.com: Gorillas and chimps would only be expected to share an ERV if this same ERV were also present in humans.
Man erwartet, dass Gorillas und Schimpansen nur dann einen ERV gemeinsam haben, wenn dieser auch in Menschen vorkommt.

Das ist nur korrekt, wenn ERVs an übereinstimmenden Positionen gemeint sind.

Detectingdesign.com: However there are some ERVs that don’t seem to fit this pattern. For example, the K family of ERVs (HERV-K provirus) is present in chimps and gorillas, but not in humans.
Allerdings gibt es einige ERVs, die anscheinend nicht in dieses Muster passen. Zum Beispiel gibt es die K-Familie von ERVs (HERV-K Provirus) in Schimpansen und Gorillas, aber nicht in Menschen.

Sean Pitman von Detectingdesign.com hat offenbar noch weniger Ahnung von endogenen Retroviren als ich. HERV-K steht für „Human Endogenous Retro Virus“, und kommt selbstverständlich bei Menschen vor. Was sagt die als Quelle angegebene Arbeit wirklich?

We identified a human endogenous retrovirus K (HERV-K) provirus that is present at the orthologous position in the gorilla and chimpanzee genomes, but not in the human genome. Humans contain an intact preintegration site at this locus.
Wir haben ein Provirus aus der K-Familie der menschlichen endogenen Retroviren (HERV-K) gefunden, das an orthologen Positionen in den Genomen von Gorilla und Schimpanse vorhanden ist, aber nicht im menschlichen Genom. Menschen haben an dieser Stelle die unberührte ursprüngliche Sequenz.

Es handelt sich also um eine Einfügung (Provirus), die beim Menschen fehlt, und das ist in der Tat merkwürdig. Dieselbe Arbeit liefert aber nach der Erwähnung einiger unwahrscheinlicherer Alternativen eine überzeugende Erklärung dafür.

… the provirus formed in the most recent common ancestor of Homo, Pan, and Gorilla just before the three lineages separated. The provirus allele was fixed in the Gorilla lineage. Both alleles were then maintained in the Pan-Homo common ancestor until the individual lineages diverged. The provirus allele was fixed in the Pan lineage, while the preintegration site allele was fixed in the Homo lineage.
Das Provirus entstand im letzten gemeinsamen Vorfahren von Homo (Mensch), Pan (Schimpanse) und Gorilla, kurz bevor sich die drei Linien trennten. Das Allel mit dem Provirus wurde im Gorilla fixiert. Beide Allele existierten in den gemeinsamen Vorfahren von Pan und Homo bis sich diese beiden Linien trennten. Das Allel mit dem Provirus wurde im Schimpansen fixiert, während das Allel mit der unberührten Sequenz beim Menschen fixiert wurde.

Es geht also um genetische Drift und darum, dass es lange dauern kann, bis von mehreren gleichzeitig in einer Population vorhandene Varianten eines DNA-Abschnitts nur noch eine übrig ist. (Siehe dazu auch die schematischen Beispiele im Anhang)

Ist es überhaupt möglich, dass zwei Varianten eines DNA-Abschnitts zwei Millionen Jahre lang nebeneinander existieren? Von einem anderen ERV beim Menschen wird angenommen, dass es vor 200.000 Jahre eingefügt wurde, und es ist nicht bei jedem Menschen vorhanden. Da erscheint es plausibel, dass das erwähnte HERV-K-Provirus über zwei Millionen Jahre als Allel vorkam.

Ohne diese Erklärung zu erwähnen, nennt Sean Pitman gleich einen zweiten Fall, und zwar aus Polavarapu, Bowen und McDonald, 2006
(PDF):

Detectingdesign.com: Also, portions of ERVs known as CERV 2 and CERV 1 elements are present in chimpanzee, bonobo and gorilla (non-orthologous) but are absent in human, orangutan, old world monkeys, new world monkeys.
Zudem sind Portionen von ERVs, die als CERV 2- und CERV 1-Elemente bekannt sind, in Schimpansen, Bonobos und Gorillas vorhanden (nicht ortholog), fehlen aber in Menschen, Orang-Utans, Altweltaffen und Neuweltaffen.

CERV 1 und CERV 2 sind keine „portions of ERVs“ sondern Familien, und wenn von „Elementen“ die Rede ist, sind Proviren an bestimmten Loci gemeint. Die Anmerkung „non-orthologous“, die Pitman offenbar nicht verstanden hat, besagt, dass es sich hier nicht um Einfügungen an übereinstimmenden Positionen handelt.

Die angegebene Quelle erklärt, dass diese ERVs erst nach der Trennung von Mensch und Schimpanse in die DNA von Schimpansen und Gorillas eingefügt wurden. Eine der Altersbestimmungen durch LTR-Vergleich ergab zwar ein höheres Alter, aber diese Methode versagt häufig, wenn die LTRs von umfangreichen Mutationen verändert wurden.

Sean Pitman ignoriert auch diese natürliche Erklärung für sein zweites Beispiel und behauptet stattdessen:

The usual explanation for such findings, of course, is that humans lost this or that particular ERV along the way.
Die übliche Erklärung für solche Entdeckungen ist, dass die Menschen dieses oder jenes betreffende ERV mit der Zeit verloren hätten.

Für Beispiel 1, wo das ERV durch genetische Drift aus der zum Menschen werdenden Population verschwand, kann man das vielleicht so ausdrücken, aber im zweiten Fall waren die ERVs nie in Menschen vorhanden und mussten also auch nicht verschwinden. Polavarapu, Bowen und McDonald sagen sogar ausdrücklich, dass sie nicht entfernt wurden:

Moreover, we were able to detect pre-integration sites at those regions in the human genome orthologous to the CERV 1/PTERV1 insertion sites in chimpanzees, effectively eliminating the possibility that the elements were once present in humans but subsequently excised.
Zudem waren wir in der Lage, die unberührten Stellen des menschlichen Genoms zu bestimmen, die zu den Einfügestellen von CERV 1/PTERV1 bei Schimpansen ortholog sind, was mit Sicherheit ausschließt, dass die Elemente mal bei Menschen vorhanden waren und später entfernt wurden.

Als drittes Beispiel für Inkonsistenzen führt Pitman Yohn, Jiang, McGrath et al,  2005 (oder auch hier) an.

In dieser Arbeit geht es um relativ junge ERVs, die vor 3-4 Millionen Jahren aktiv waren und also keine übereinstimmenden Einfügestellen bei Gorillas und anderen Affen haben können. 275 von 299 Einfügestellen (101 davon in Schimpansen, der Rest in anderen Affen) stimmten eindeutig nicht überein. Bei 24 Stellen, also 12 Paaren war es nicht so klar, weil sie nahe zusammen lagen.

We performed two analyses to determine whether these 12 shared map intervals might indeed be orthologous. First, we examined the distribution of shared sites between species (Table S3). We found that the distribution is inconsistent with the generally accepted phylogeny of catarrhine primates. …
If these sites were truly orthologous …
Wir führten zwei Analysen durch, um festzustellen ob diese 12 gemeinsamen Stellen tatsächlich ortholog sind. Erstmal werteten wir die Verteilung der gemeinsamen Stellen unter den Arten aus. Wir stellten fest, dass diese Verteilung nicht mit dem allgemein anerkannten Stammbaum der Altweltaffen konsistent ist. …
Wenn diese Stellen tatsächlich ortholog wären …

… dann hätten wir ein Problem, das man nur mit einem enormen Zufall entschuldigen könnte. Aber man hat bei der näheren Untersuchung keine genau übereinstimmenden Stellen gefunden.

In two cases, we were able to refine the map location to single basepair resolution … the sites were not orthologous
In zwei Fällen konnten wir die Lokalisierung basenpaargenau durchführen … die Stellen waren nicht ortholog.

Bei den anderen Verdachtsfällen hat man sich die Mühe nicht gemacht und ist davon ausgegangen, dass sie dann wohl auch nicht ortholog sind. Das Virus war nach der Trennung der untersuchten Arten aktiv und lag nicht an identischen Stellen, also gibt es keine Inkonsistenz. Pitman nimmt dieses Untersuchungsergebnis aber gar nicht zur Kenntnis und zitiert nur solche Auszüge, in denen er das Wort „inconsistent“ hervorheben kann.

Im Blog Telic-Meme wird die Arbeit von Romano et al, 2007 erwähnt, in der es um die Populationsdynamik von ERV-K bei Menschen, Schimpansen und Rhesusaffen geht. Es werden darin auch Rhesusaffen-ERVs untersucht, die im gemeinsamen Vorfahren aller drei Arten vorhanden gewesen sind, und also auch beim Menschen auffindbar sein müssten.

Romano et al (2007) found that no RhERV-K orthologue was closely related to those in either the chimpanzee or human genomes
Romano et al (2007) fanden, dass kein RhERV-K Ortholog (?) mit einem beim Schimpansen oder beim Menschen eng verwandt ist.

Die von Telic Meme wiedergegebene Stelle ist rätselhaft. Was wird da als „orthologue“ bezeichnet? Wenn es gar keine Entsprechungen gab, würde man doch nicht sagen: „Keine Entsprechung war eng verwandt“ sondern „es gab keine Entsprechungen“.

Wenn jemand diese Passagen versteht, kann er gerne was dazu in die Kommentare schreiben. Eine andere Stelle in Romano et al (2007) verstehe ich auch nicht:

None of the six lineages of RhERV-K shared recent orthologues with Homo or Pan, and only three (RhERV-K3, RhERV-K8 and RhERV-K19) were possibly integrated into the common ancestor of all three primates. This notion was further supported by the fact that no traces of ERV-K were found in the orthologous chromosomal regions in human and chimpanzee, where we would expect to find the descendents of RhERV-K3 and the eight ERVs that predate the separation of all three lineages. Conversely, fragments of LTR and gag sequences were found on chromosome 9 of both human and chimpanzee at the integration site of RhERV-K19, suggesting that they the ERV-K viruses have been purged from these genomes.
Keine der 6 Linien von RhERV-K hat neuere Orthologien bei Menschen oder Schimpansen, und nur drei waren möglicherweise beim gemeinsamen Vorfahren aller drei Affenarten vorhanden. Diese Auffassung wird durch die Tatsache unterstützt, dass keine Spuren von ERV-K in den orthologen Chromosomenbereichen bei Menschen und Schimpansen gefunden wurden, in denen wir die Nachkommen von RhERV-K3 sowie die acht ERVs, die zeitlich vor der Trennung aller drei Abstammungslinien liegen, erwarten sollten. Umgekehrt fanden wir Reste von LTR- und gag-Sequenzen auf Chromosom 9  bei Menschen und Schimpansen an der Einfügestelle von RhERV-K19, was nahelegt, dass die ERV-K Viren aus diesen Genomen entfernt worden sind.

Da ist die Rede von „den acht ERVs, die älter sind als die Trennung aller drei Abstammungslinien“, und die nicht bei Menschen und Schimpansen gefunden wurden: „no traces“ – keine Spur. Aber von RhERV-K19 hat man Reste bei Menschen und Schimpansen gefunden: Teile von LTR und gag.

Obwohl ich die Arbeit von Romano et al,  2007 nicht verstehe, bin ich sicher, dass Telic Meme mit seiner Interpretation, dass alle diese ERVs beim Menschen fehlen, daneben liegt, denn von RhERV-K19 hat man wenigstens Teile gefunden.

Anhang: schematische Beispiele

Stammbaum einzelner Gene

Die Aussagekraft phylogenetischer Analysen hängt von der Anzahl der untersuchten Merkmale ab. Wenn man nur einzelne Gene oder kleine DNA-Abschnitte auswertet, wird man nicht immer den erwarteten Stammbaum erhalten.

Nennen wir den letzten gemeinsamen Vorfahren von Gorilla, Mensch und Schimpanse „GMS“, und den von Mensch und Schimpanse „MS“. Der GMS hat dieses Genom:

xxxxxgxxxxxmxxxxxsxxxxx.

Von GMS zum Gorilla haben sich Mutationen ereignet, die hier symbolisch dadurch dargestellt werden, dass das kleine g zu einem großen G wird.
Das Gorilla-Genom ist also

xxxxxGxxxxxmxxxxxsxxxxx.

Von GMS zum MS hat es andere Mutationen gegeben, die ich am ersten x darstelle.
Genom von MS:

Xxxxxgxxxxxmxxxxxsxxxxx.

Mit dem Menschen und mit dem Schimpansen mache ich es wie mit dem Gorilla: Kleinbuchstabe wird groß.
Mensch:

XxxxxgxxxxxMxxxxxsxxxxx

Schimpanse:

XxxxxgxxxxxmxxxxxSxxxxx

Die unterschiedlich langen Zeiten, die für Mutationen zur Verfügung stehen, werden der Einfachheit halber weggelassen. Dasselbe gilt für die Komplikationen, die dadurch entstehen, dass gleiche Mutationen unabhängig voneinander geschehen können und dass Mutationen wieder zurückkippen können.

Wenn wir jetzt vom Menschen ausgehend die Genome der heute lebenden Arten vergleichen und die Abweichungen zählen, bekommen wir:
Mensch -> Schimpanse: 2 Änderungen

XxxxxgxxxxxMxxxxxsxxxxx -> XxxxxgxxxxxmxxxxxSxxxxx

Mensch -> Gorilla: 3 Änderungen

XxxxxgxxxxxMxxxxxsxxxxx ->  xxxxxGxxxxxmxxxxxsxxxxx

Der Schimpanse ist mit nur 2 Abweichungen näher am Menschen als der Gorilla, in Übereinstimmung mit dem bekannten Stammbaum. Wenn wir aber zur Stammbaumbildung ausgerechnet ein Gen aus „s“ auswerten, erhalten wir volle Übereinstimmung von Mensch und Gorilla, während der Schimpanse anders ist.

ERVs und Allele

Ich und mein Cousin haben ein Provirus an orthologer Position. Bei meinem Bruder gibt es jedoch die unversehrte Einfügestelle.

Der letzte gemeinsame Vorfahre, also Opa oder Oma, muss das ERV auch gehabt haben, zumindest in einer Keimzelle.

Wenn der Onkel nur angeheiratet ist, wissen wir nicht, ob er das ERV hat. Aber die Tante hat es dann sicher, denn sie hat es ja an den Cousin vererbt. Genau so sicher hat meine Mutter bzw. mein Vater es.

Wie kann es angehen, dass mein Bruder es nicht hat?

Bei der Vereinigung des Erbguts von Vater und Mutter wird das Erbgut beider Partner zufällig gemischt. Beim mir wurde das Stück DNA mit dem ERV von Vater genommen und beim Bruder fiel die Wahl auf den DNA-Abschnitt der Mutter, die offenbar nicht das ERV trug.

Advertisements
Dieser Beitrag wurde unter Abhandlungen, ERV, Evolution, Kreationismus abgelegt und mit , , , , verschlagwortet. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink.

2 Antworten zu Evolutionsbeweis durch ERV – verfeinerte Methoden und Einwand 6

  1. Pingback: Evolutionsbeweis durch ERV – Zusammenfassung und Linkliste | kěrěng

  2. Pingback: 2009 | kěrěng

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s