Chickenosaurus Rex

05.10.2014

Jack Horner hat vorgeschlagen, Dinosaurier durch gezielte Kreuzung und DNA-Engineering aus dem gemeinen Huhn zurück zu züchten. Sein gewagter Vorschlag stößt nicht überall auf Zustimmung

Viele kennen das Buch von Michael Crichton über einen "Jurassic Park" und auch die Serie der Spielberg-Filme mit demselben Thema: Dinosaurier werden aus DNA, die in Jahrmillionen alten Mücken gefunden wurde, gezüchtet. Die blutrünstigen Insekten waren seit der Jura in Bernstein eingekapselt gewesen. Kein Paläontologe erwartet jedoch heute, dass echte Dinosaurier-DNA jemals gefunden wird. Die DNA-Moleküle zerbrechen dafür zu schnell.

Jedes Tier trägt Milliarden von Bakterien im Körper (das sogenannte "Mikrobiom"), die mit uns in mehr oder weniger friedlicher Symbiose leben, bis zu dem Tag, wo sie sich an die Zellen und DNA ranmachen. Fossilien werden von Bakterien gemeißelt, indem sie helfen die Zellen mit mineralischen Stoffen auszufüllen. Bei Neanderthalerknochen findet man trotzdem noch DNA-Reste, nicht aber bei Dinosauriern, die vor 65 Millionen Jahre oder mehr ausgestorben sind. Will man wieder Dinosaurier haben, braucht man einen alternativen Weg.

An der Stelle tritt Jack Horner in Szene. Der legendäre Paläontologe aus Montana hat Spielberg bei seinen Jurassic-Park-Filmen beraten. Sein gewagter Vorschlag mutet zunächst einmal realistischer an, als der Umweg über Bernsteintropfen: Da die Vögel die Erben der Dinosaurier sind, könnte es ja sein, dass die für die Entwicklung von Dinosauriermerkmalen notwendigen DNA-Sequenzen immer noch in der DNA mancher Vögel vorhanden (jedoch unterdrückt) wären. So könnte man vielleicht wieder kleine Raptoren-Arme statt Flügel und einen Schwanz mit Wirbelknochen im Gallus gallus domesticus (dem Haushuhn) entstehen lassen. Scherzhaft nennt er das Ergebnis eines solchen Gedankenexperiments das Chickenosaurus.1

Hätte jemand anderes als Jack Horner solche Gedanken laut ausgesprochen, wäre er kaum beachtet worden. Der berühmte "Dinosaurierjäger" wird aber ernst genommen, seine Intuition hat ihm schon früher viele interessante paläontologische Entdeckungen beschert. Auf der Suche nach Dinosaurier-Zellen z.B., hat er die ersten Reste von Kapillaren und weichem Gewebe gefunden (leider ohne DNA). Das Buch zum neuen Vorschlag über die "Rück-Evolution" hat er ebenfalls bereits geschrieben.2 Seitdem wird in der Fachliteratur, aber auch in den Medien, über die Möglichkeit einer Zurückzüchtung von Spezies, insbesondere von Dinosauriern, debattiert. Und da 2015 bereits die vierte Folge von "Jurassic Park" droht, ist es höchste Zeit, den Stand der Debatte kennenzulernen.

Entwicklungsbiologie

Bereits Darwin hat darauf hingewiesen, dass manche Tierarten, obwohl sie als Erwachsene sehr unterschiedlich aussehen, als Embryos eine gewisse Ähnlichkeit und Verwandtschaft aufweisen können. Das liegt daran, dass die Natur DNA-Sequenzen nicht immer gänzlich ersetzt: es wird auf das Vorhandene aufgebaut, ergänzt und korrigiert. Nirgendwo tritt dies deutlicher zutage als im Fetus, wo gewisse Strukturen zuerst gebildet und dann abgebaut werden, wie z.B. ein Schwanz mit Wirbeln bzw. eine Hand mit drei Raptoren-Fingern im Fetus des Haushuhns.

Die Natur ist "sparsam" und opportunistisch -- sie verwendet bereits vorhandene genetische Netzwerke um ein neues Ziel zu erreichen. Dafür wird in Kauf genommen, dass als Seiteneffekt im Entwicklungsprozess zeitweilig überholte Strukturen entstehen, die dann abgebaut werden müssen. Die primitiven Strukturen dienen manchmal nur als "Gerüst" um drum herum das Neue zu bauen. Wie bei jedem Bauvorhaben wird aber am Ende das Gerüst abgetragen. Die Hoffnung beim Huhn wäre, dass noch viel Gerüst im DNA-Code überlebt hat.

Ein wichtiges Thema in dem Zusammenhang ist die Frage nach den in DNA vorhandenen Genen. Heute wissen wir, dass große Segmente der menschlichen DNA "nicht-kodierend" sind. D.h. sie sind DNA-Relikte der Vergangenheit oder einfach zusätzliche Kopien von Genen, die durch Inversion oder andere Mechanismen bei der DNA-Rekombination entstanden sind. Es ist nicht mit Sicherheit bekannt, welchen Zweck diese nicht-kodierenden DNA-Segmente erfüllen.

Eine Theorie besagt, dass scheinbar überflüssige DNA-Ketten von einem Organismus verwendet werden könnten, um bei einer Änderung der Umwelt neue Merkmale schneller evolvieren zu können. Es ist wie bei einem Programmierer, der alten Code nicht einfach wegwirft, sondern teilweise "auskommentiert", weil er nicht sicher ist, ob man ihn doch wiederverwenden kann. Ich brauche den Lesern, die schon eigene komplexe Programme geschrieben haben, nicht zu erzählen, wie heikel dies später sein kann.

Im Fall des menschlichen Genoms ist immer noch sehr umstritten, wie viel davon "junk DNA" ist oder nicht. Es könnte ja sein, dass die DNA-Segmente, die keine Proteine unmittelbar kodieren, doch andere biologische Funktionen erfüllen, wie z.B. Regulation der Transkription der kodierenden Sequenzen. Wie dem auch sei, das ist die Überlegung, die sich hinter Jack Horners Vorschlag verbirgt: Schauen wir mal im alten Code, ob sich noch Teile davon im ursprünglichen Sinne reaktivieren lassen. Genetiker haben deswegen nochmal gründlich solche nicht-kodierenden DNA-Segmente bei Vögeln durchforscht.

Das Vogel-Genom ist klein

Die schlechte Nachricht für das Chickenosaurus-Vorhaben ist, dass das Vogel-Genom anscheinend relativ bereinigt ist. Es sind weniger nicht-kodierende Sequenzen als bei anderen Arten konserviert worden. Für die Vögel scheint ein gewisser evolutiver Druck vorhanden zu sein, die Genomgröße zu beschränken. Dies scheint mit dem enormen Energiebedarf des Fluges zusammenzuhängen. Vögel müssen die Zellen im Körper anstrengen, d.h. mehr Sauerstoff durchschleusen und verbrennen.

Da aber Sauerstoff durch die Zellmembran transportiert wird (und diese mit dem Quadrat des Zellradius, während das Volumen mit der dritten Potenz ansteigt), sind kleine Zellen für einen schnellen Metabolismus günstiger. Diese Faustregel, dass beschleunigter Metabolismus mit kleinen Zellen verknüpft ist, scheint sowohl bei Säugetieren als auch bei Vögeln zu gelten.

Noch anzumerken wäre, dass die Länge der DNA-Sequenz nicht mit der Komplexität des Organismus korreliert. Ein Salamander hat 26-mal mehr DNA im Zellkern als ein Mensch. Auch manches Getreide hat mehr DNA als Säugetiere. Dies ist es, was Biologen das "C-Wert-Paradoxon" nennen. Pflanzen haben mitunter viel mehr DNA als relativ komplexe Tiere. Die DNA-Menge im Zellkern ist deswegen von Tier zu Tier sehr variabel.

Warum sollte also die Länge der DNA-Ketten mit der Größe der Zellen korrelieren? Anscheinend deswegen, weil mehr DNA einen größeren Zellkern und dazu einer größeren Zellmaschinerie bedarf. Beides führt zu größerem Zellvolumen. Biologen haben es rein statistisch nachgewiesen. Chris Organ und Koautoren haben die Zellgrößen von Osteocyten (Knochenzellen) in heutigen Amphibien, Reptilien, Säugetieren und Vögeln gemessen und mit der DNA-Masse im Zellkern korreliert.3

Das Ergebnis zeigt deutlich: wenn die Größe der Knochenzellen steigt, steigt auch die Länge des Genoms. Das können wir als einen rein empirischen Befund auffassen, der dann natürlich eine neue interessante Möglichkeit eröffnet: vielleicht kann man auf diese Weise Rückschlüsse über die Länge des Genoms ausgestorbener Spezies, wie z.B. über die Dinosaurier, ziehen.

Dass Vogel-Genome klein sind, wird von jeder neuen Studie bestätigt. Etwas größere Genome als der Durchschnitt der Vögel haben solche, die nicht fliegen, wie die Strauße, und deswegen nicht auf kleine energetisch wirksamere Zellen angewiesen sind. Das kleinste Genom haben die Kolibris, die jeden Tag einen beträchtlichen Teil des eigenen Gewichts in für das Fliegen notwendige Energie verwandeln müssen.4 Abb. 1 zeigt einen Vergleich der Zellfläche verschiedener Vogelarten und Kolibris (weiße Kreise). Kolibris liegen deutlich am Anfang der Skala sowohl bei Zellgröße als auch bei Genommasse.

Abb. 1: Zellfläche versus Genomgröße bei Vögeln. Kolibriarten sind durch die weißen Kreise repräsentiert. Aus: Gregory, T. R., C. B. Andrews, J. A. McGuire, and C. C. Witt. 2009, "The smallest avian genomes are found in hummingbirds", Proceedings of the Royal Society B.

Die Frage wäre dann, ob bereits bei den Vorfahren der Vögel, bei den Theropoden-Dinosauriern, der evolutive Druck zum Verlust von vielen nicht-kodierenden und primitiven Segmenten geführt hat. Dies würde bedeuten, dass viele uralte Dinosaurier-Gene nicht mehr im Vogel-Genom auffindbar wären. Die Größe der Dinosaurier-Osteocyten kann mit dem Mikroskop aus Fossilien gemessen werden. Dass der evolutive Druck da war, zeigt Abb. 2, wo die aus der Größe der Knochenzellen geschätzte DNA-Masse (in Picograms) in einem phylogenetischen Dinosaurier-Baum kartiert wurde.

Bereits bei den bipedalen Theropoden setzt dieser Druck zu kleineren Knochenzellen an, die sich dann bei den "Aves" (die viele Urvögel einschließt) fortsetzt. Unabhängig davon, ob Jack Horners Traum verwirklicht werden kann, ist es bemerkenswert, dass man heute Aussagen über die vermutliche Genomgröße von längst ausgestorbenen Spezies anhand von Fossilien treffen kann.5 Da die Statistik aus lebenden Spezies gewonnen wurde und dann auf 31 Arten von Dinosaurier abgebildet wurde, gibt es noch viel Spielraum für Fehler, aber dennoch, die Resultate muten an, sinnvoll zu sein.

Abb. 1: Phylogenetischer Baum mit den geschätzten Genomgrößen anhand der Größe der Knochenzellen (in Picogram). Aus Chris L. Organ, Andrew M. Shedlock, Andrew Meade, Mark Pagel, Scott V. Edwards, "Origin of avian genome size and structure in non-avian dinosaurs", Nature 446, 180-184 (8. März 2007), doi:10.1038/nature05621.

Zähne ohne Zahnschmelz

Jack Horner verweist häufig auf die nachgewiesene Entwicklung von Miniatur-Zahnkernen beim Haushuhn im Fetus. Injiziert man einen gewissen chemischen Cocktail, wird der Abbau der Zahnkerne verhindert und man bekommt ein Huhn mit kleinen Ausstülpungen - dort wo noch beim Dinosauriervorfahren Zähne vorhanden waren. Da dieses Ergebnis ohne Veränderungen der DNA, sondern nur durch Beeinflussung der Gen-Expression im Embryo erreicht wurde, könnte es sein, dass auch für die Entwicklung von Raptor-Armen und Schwanzknochen derselbe Trick benutzt werden könnte. Man müsste aber auch einige Gene aktivieren, so dass die Zahnkeime sich voll entfalten und z.B. mit Zahnschmelz vervollständigt werden könnten.

Der Dämpfer für diese Vorstellung kommt aus Paris. Jean-Yves Sire und Coautoren haben gezielt nach den Genen für den Zahnschmelz in Vogelgenomen gesucht. Ihr Fazit ist: "Gut entwickelte Reptilienzähne (d.h. Zähne mit Zahnschmelz) beim Huhn zu entwickeln wird unerreichbar bleiben, weil alle Gene die für die Entwicklung der strukturellen Proteine für Zahnschmelz und Zahnbein zuständig sind, aus dem Huhngenom verschwunden oder überschrieben worden sind".6Sie zeigen auch, dass die Zahn-Morphogenese nur gestartet werden kann, weil das betreffende Gen mittlerweile eine andere Funktion übernommen hat, aber immer noch da ist. Das gesamte notwendige genetische Netzwerk für die Zahnentwicklung ist aber längst überrannt worden, vermutlich bereits bei den Urvögeln, vor 100 Millionen Jahren.

Zusammenfassend: Es sieht etwas düster aus mit der Möglichkeit, Dinosaurier aus dem Vogelgenom zurück zu züchten. Anders als bei vielen Pflanzen, sind lange uralte DNA-Sequenzen nicht erhalten geblieben, da der energetische Bedarf der Vögel kleine Zellen erzwingt und evolutiver Druck in Richtung der Genomreduktion übt. Die notwendigen DNA-Sequenzen sind vor Jahrmillionen durchsiebt worden. Bei den Vögeln ist ein etwas gewissenhafterer "blinder" Programmierer am Werk, der alten Code jedoch schneller bereinigt, als es bei Säugetieren der Fall ist.

Vor Jahren, als die erste Sequenzierung des menschlichen Genoms vorgestellt wurde, kursierte eine annotierte Variante davon im Internet. Vom Programmierer "Gott" unterzeichnet, enthielt sie eine kommentierte Stelle mit dem Hinweis "Weisheitszähne entfernen nicht vergessen". Der DNA-Code der Vögel ist etwas stringenter geschrieben.

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