Paläogenomik: Steckt ein Neandertaler in unserem Denken?

Neandertaler-DNA wirkt sich vielfältig aus

Wie sich herausgestellt hat, machen bestimmte Neandertaler-Sequenzen ihre Träger anfälliger für verschiedene Immunstörungen, etwa den systemischen Lupus erythematodes oder Morbus Crohn. Andere beeinflussen Interleukin-18, einen Botenstoff des Immunsystems, der bei Autoimmunerkrankungen involviert ist. Manche Varianten der Neandertaler-DNA werden mit einem erhöhten Risiko für schwere Covid-Verläufe in Zusammenhang gebracht, andere scheinen davor zu schützen. Wieder andere von Neandertalern abgeleitete Sequenzen dürften mit darüber bestimmen, ob wir Allergien bekommen. Und einige Befunde legen die Vermutung nahe, dass die DNA unserer alten Vettern sogar für Asthma von Bedeutung sein könnte.

Über das Immunsystem hinaus ließen sich weitere Effekte der Neandertaler-DNA dokumentieren: Sie dürfte mit darüber bestimmen, welche Haut- und Haarfarbe wir haben, wie leicht unser Blut gerinnt, wie stark wir zu Herzkrankheiten neigen und wie unsere Zellen auf Strahlung oder andere Stressfaktoren aus der Umwelt reagieren. Ebenso kann sie das Risiko für Hautkrebs, Vitamin-B1-Mangel, Übergewicht oder Diabetes beeinflussen.

Dagegen spricht die Vorstellung, Neandertaler-DNA könne sich nennenswert auf unser Denken und Verhalten auswirken, ein wenig gegen die Intuition. Wie sich in früheren Forschungsarbeiten gezeigt hat, ist dieses alte Erbmaterial bei heutigen Menschen in jenen Genen, die mit Hirnfunktionen zu tun haben, eher unterrepräsentiert. Das liegt hauptsächlich daran, dass solche Erbfaktoren besonders empfindlich auf Veränderungen reagieren und Letztere recht schnell ausgemerzt werden. Die fraglichen Genomabschnitte werden auch Neandertaler-DNA-Wüsten genannt. Seit Mitte der 2010er-Jahre hat sich allerdings gezeigt, dass im Bereich der hirnrelevanten Gene des modernen Menschen dennoch ein wenig Neandertaler-DNA erhalten geblieben ist.

Die Auswirkungen des Neandertaler-Erbguts zeigen sich überall im Gehirn und den dazugehörigen Strukturen

Die Auswirkungen dieses Erbguts zeigen sich überall im Gehirn und den dazugehörigen Strukturen. Wie Philipp Gunz vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig und seine Kollegen 2019 herausfanden, besitzen Menschen mit einem höheren Anteil an Neandertaler-DNA häufiger einen geringfügig verlängerten Schädel, der insbesondere im Bereich der Schläfen- und Hinterhauptsregion an den von Neandertalern erinnert (siehe »Unterschiedlich geformt«). Diese Schädelverlängerung lässt sich mitunter mit Neandertaler-Versionen in Verbindung bringen, die in der Nähe der Gene UBR4 und PHLPP1 liegen und dabei deren Aktivitäten regulieren. Beide Erbfaktoren wirken an der Entstehung der Nervenzellen sowie von Myelin mit – jener Fettsubstanz, die bei größeren Neuronen die Axone isoliert, sodass sie zuverlässig und schnell über große Entfernungen kommunizieren können. Ebenso geht die Schädelverlängerung mit regulatorischem Neandertaler-Erbgut in der Nähe von GPR26 einher. Über dieses Gen ist noch wenig bekannt, es scheint aber krebshemmend zu wirken und ist vermutlich ebenfalls an der Bildung von Neuronen sowie den sie unterstützenden Gliazellen beteiligt.

2021 entdeckten Michael Gregory und seine Kollegen von den National Institutes of Health Unterschiede in Hirnbereichen, die mit der visuellen Verarbeitung sowie der sozialen Kognition zu tun haben: Während Menschen mit mehr Neandertaler-DNA bei Ersteren eine überdurchschnittlich starke Verknüpfung zeigen, ist es bei Letzteren genau umgekehrt – diese Areale kommunizieren also weniger untereinander. Dieser faszinierende Befund legt nahe, dass es in der Abstammungslinie der Gattung Homo eine Art Tauschhandel zwischen visuellen und sozialen Fähigkeiten gegeben haben könnte.

Besonders wichtig ist, dass Neandertaler-DNA auch im Kleinhirn eine Rolle spielen könnte. Obgleich Neurowissenschaftler dieses meist im Zusammenhang mit dem motorischen Gedächtnis und der Koordination nennen, ist es ebenfalls an der Aufmerksamkeits- und Gefühlssteuerung, der Verarbeitung von Sinneseindrücken sowie der sozialen Kognition beteiligt. Zudem scheint das Kleinhirn eine der Grundlagen für unsere Fähigkeit zu liefern, Rückschlüsse auf die mentalen Zustände anderer Menschen zu ziehen.

2018 verglich die Arbeitsgruppe von Naomichi Ogihara, heute an der Universität Tokio, die rekonstruierten Schädel von Neandertalern und Jetztmenschen. Wie ihre Forschungsarbeiten offenbarten, besaß das Kleinhirn bei unseren ausgestorbenen Vettern ein deutlich geringeres Volumen als bei uns. Demnach könnte es aufgrund der von den Neandertalern geerbten DNA bei heutigen Menschen eine beträchtliche Variationsbreite im Aufbau und in der Funktion des Kleinhirns geben – und damit auch bei der sozialen Kognition.

Ein genetischer Flaschenhals

Generell wirkt sich die Gesamtgröße einer Population maßgeblich darauf aus, ob eine bestimmte Mutation vererbt wird oder nicht. In einer großen Bevölkerungsgruppe verschwindet eine schädliche Variante meist relativ schnell. In kleinen, isolierten Gemeinschaften dagegen kann sich eine solche genetische Veränderung ähnlich gut wie eine neutrale Mutation ausbreiten und bleibt unter Umständen sogar auf Dauer erhalten. Somit sammeln sich hier im Lauf der Zeit mehr ungünstige Erbgutveränderungen an, wodurch wiederum die Anzahl der Nachkommen sinkt und das Risiko steigt, dass die Gruppe ausstirbt. Genau deshalb gilt es in den meisten heutigen Kulturkreisen als Tabu, enge Verwandte wie einen Vetter ersten Grades zu heiraten. In Gemeinschaften, die solche Verbindungen zulassen, verbreiten sich häufig sogenannte rezessive Erkrankungen, die entstehen, wenn jemand von beiden Eltern die gleichen genetischen Risikofaktoren geerbt hat.

Die Erforschung des Neandertalergenoms deutet darauf hin, dass die Populationsgrößen unserer ausgestorbenen Verwandten über längere Zeit deutlich schrumpften: Vor 50 000 bis 40 000 Jahren ging deren Bevölkerungszahl auf schätzungsweise nur noch 5000 Individuen zurück. Wegen dieses genetischen Flaschenhalses enthielt das Erbgut der Neandertaler übermäßig viele schädliche Mutationen, was höchstwahrscheinlich zu einer verminderten Fortpflanzungsfähigkeit sowie zu einer großen Zahl rezessiver Erkrankungen führte. Hinweise auf ein solches Nadelöhr und seine Folgen findet man an Fossilien von der Fundstätte El Sidrón in Spanien, wo 13 eng verwandte Individuen 17 unterschiedliche angeborene Skelettfehlbildungen aufwiesen.

Vermutlich erbte unsere Spezies einige dieser ungünstigen genetischen Varianten, als unsere Vorfahren sich vor Zehntausenden Jahren mit den Neandertalern kreuzten. Wäre es denkbar, dass solche von den Neandertalern stammenden schädlichen Versionen in unserem Genom erhalten geblieben sind und heute nicht nur die Größe und Form mancher Hirnstrukturen beeinflussen, sondern auch unsere Anfälligkeit für neurologische und psychiatrische Krankheiten?

Die bisher angesammelten Befunde deuten tatsächlich darauf hin. Manche Neandertaler-DNA-Abschnitte wurden beispielsweise mit Depressionen in Verbindung gebracht. Vielleicht ist es kein Zufall, dass diese Varianten auch daran mitwirken, den Chronotyp festzulegen, also ob jemand ein Morgen- oder ein Abendmensch ist. Manche Fachleute vermuten, dass die Auswirkungen der Neandertaler-DNA auf unseren Tagesrhythmus das Risiko für Depressionen erhöhen, zeigen doch etliche Gemütsstörungen auffällige jahreszeitliche Schwankungen, etwa die Winterdepression.

Neandertaler-DNA wurde ebenfalls mit der Neigung zum Konsum von Suchtmitteln wie Alkohol oder Nikotin in Verbindung gebracht. Sie scheint zudem bei einigen Personen die Schmerzempfindlichkeit zu erhöhen und sie zu veranlassen, mehr Schmerzmittel einzunehmen. Und eine Untergruppe von Varianten in der Neandertaler-DNA sorgt eventuell dafür, dass sich mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS) entwickelt; diese Versionen verschwinden allerdings allmählich aus dem Genom der heutigen Menschen.

Gibt es eine Verbindung zwischen Neandertaler-DNA und Autismus?

Wir beide interessieren uns für einen besonders faszinierenden Zusammenhang: eine mögliche Verbindung zwischen Neandertaler-Vorfahren und Autismus. Zum ersten Mal stießen wir auf das Thema, als wir erfuhren, dass manche Verknüpfungsmuster in den Nervenbahnen für visuelle und soziale Verarbeitung im Gehirn nicht autistischer Personen mit mehr Neandertaler-DNA den Mustern bei Menschen mit Autismus-Spektrum-Störung ähneln. Letztere verfügen mitunter über bessere visuell-räumliche Fähigkeiten. Beispielsweise entdecken sie in Kognitionstests oft sehr schnell eine bestimmte Form unter einer Vielzahl ablenkender Gebilde. Gleichzeitig gilt eine gestörte soziale Wahrnehmung als typisch für Autismus. Außerdem wussten wir: Genau wie die Neandertaler, die im Vergleich zu modernen Menschen ein kleineres Kleinhirn besaßen – was sich auf ihre sozialen kognitiven Fähigkeiten ausgewirkt haben dürfte –, zeigen auch Autisten ein geringeres Volumen bestimmter Unterregionen des Kleinhirns.

Diese Fülle an Daten aus Genetik, neurologischer Bildgebung und Hirnforschung veranlasste uns zu der Frage, ob die Neandertaler-DNA in der heutigen menschlichen Bevölkerung die Anfälligkeit für Autismus beeinflussen könnte. In unseren Instituten machten wir uns gemeinsam daran, Daten über autistische und nicht autistische Personen aus mehreren großen, etablierten Datenbanken zusammenzustellen. Darüber hinaus schauten wir uns auch den ethnischen Hintergrund an, denn die Bevölkerungsgruppen der heutigen Menschen weisen eine große Variabilität auf. So besitzen Individuen afrikanischer Abstammung in der Regel weniger Neandertaler-DNA als Asiaten oder Europäer. Deshalb war es wichtig, bei unseren Gruppen von autistischen und nicht autistischen Menschen deren ethnische Zugehörigkeit mit zu betrachten.

Wer die Neandertaler-DNA im Genom heutiger Menschen analysiert, fokussiert sich in der Regel auf einzelne Stellen im Erbgut, die sich zwischen verschiedenen Bevölkerungsgruppen unterscheiden. Solche Variationen bezeichnet man als Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, kurz: SNPs oder im Laborjargon Snips). Wir konzentrierten uns darauf, verbreitete und seltene Neandertaler-SNPs getrennt zu betrachten, denn je seltener eine DNA-Variante auftaucht, desto wahrscheinlicher wirkt sie sich nachteilig aus und desto unwahrscheinlicher ist es, dass sie an die Nachkommen weitergegeben wird. Wie wir dabei feststellten, tragen autistische Menschen oftmals mehr seltene Neandertaler-SNPs als ethnisch vergleichbare, »neurotypische« Individuen. Das heißt aber keineswegs, dass Autisten zwangsläufig mehr Neandertaler-DNA besitzen – sie sind nicht mehr »Neandertaler« als jeder andere.

Autistische Menschen tragen oftmals mehr seltene Neandertaler-SNPs als ethnisch vergleichbare Individuen

Wir beschäftigten uns ebenfalls mit SNPs, die speziell die Aktivität der Gene im Gehirn beeinflussen. Dabei konnten wir 25 sogenannte »expression quantitative trait loci« (eQTLs) identifizieren, die von Neandertalern stammten und in unseren autistischen Gruppen überrepräsentiert auftraten. So trugen 80 Prozent der weißen autistischen Männer hispanischer Abstammung, die an Epilepsie litten, einen bestimmten Neandertaler-SNP im Gen USP47; in der nicht autistischen Kontrollgruppe waren es dagegen 15 Prozent. Über die Funktion dieses Gens wissen wir zwar nur wenig, es scheint allerdings im Zusammenhang mit Epilepsie zu stehen, die überdurchschnittlich häufig gleichzeitig mit Autismus auftritt.

Daneben stießen wir im Gen COX10 auf eine Mutation, die bei schwarzen Personen mit Autismus häufiger erscheint als bei nicht autistischen. Bei Tieren, deren COX10-Gen gentechnisch ausgeschaltet wurde, besteht im Gehirn meist ein Ungleichgewicht in der Aktivität erregender und hemmender Neurone, wie es auch bei Autismus und ähnlichen Beeinträchtigungen charakteristisch auftritt.

Komplexe Analysen

Bisher haben wir keine klare Vorstellung davon, was diese Neandertaler-SNPs bei Menschen mit Autismus bewirken. Anscheinend fördern sie aber bei allen untersuchten ethnischen Gruppen messbar die Entstehung der Störung. Unsere Forschungsarbeiten legen außerdem die Vermutung nahe, dass viele seltene, von Neandertalern stammende SNPs, die mit Autismus assoziiert sind, die neuronalen Verknüpfungen zu koordinieren helfen. Das könnte wiederum die Kommunikation der Neurone untereinander beeinträchtigen. Wie sich die Varianten aber im Einzelnen auf die Hirnentwicklung auswirken, bleibt noch zu erforschen. Eine alleinige Antwort gibt es aller Wahrscheinlichkeit nach nicht.

Genetik ist ein äußerst kompliziertes Forschungsgebiet. Wenn wir genauer untersuchen wollen, wie sich die Neandertaler-DNA auf unsere Gene auswirkt, müssen wir uns der Komplexität des Problems bewusst sein: Zigtausende Erbfaktoren der Jetztmenschen haben sich damals mit einer annähernd vergleichbaren Zahl von Neandertalergenen vermischt. Moderne Computer sind dank künstlicher Intelligenz glücklicherweise in der Lage, die daraus resultierenden vieldimensionalen Analysen zu bewältigen, mit denen unser Gehirn überfordert wäre.

Zigtausende Erbfaktoren der Jetztmenschen haben sich mit einer annähernd vergleichbaren Zahl von Neandertalergenen vermischt

In unserer ersten Studie betrachteten wir die Neandertaler-DNA in rund einem Prozent des menschlichen Erbguts. Während der nächsten Phase unserer Forschungsarbeiten werden wir vollständige Genomsequenzen heutiger Familien mit einer Neigung zu Autismus durchmustern. Wenn wir damit unsere Suche nach alter DNA auf die Abschnitte zwischen den Genen erweitern, werden wir Millionen bisher unbekannter eQTLs analysieren können, welche die Stärke der Genexpression ganz ähnlich steuern wie ein Dimmer das Licht einer Lampe. Sobald sich solche eQTLs den von Neandertalern stammenden Abweichungen im Erbgut heutiger Menschen zuordnen lassen, ergeben sich daraus weitere Hinweise darauf, ob ein Teil der Neandertaler-DNA die Ablesung der Gene messbar verändert.

Mit einer Suche im gesamten Erbgut können wir eQTLs aus der Abstammungslinie der Neandertaler identifizieren, die nicht nur an der Entwicklung und Funktion des Gehirns als Ganzes beteiligt sind, sondern auch einzelne Hirngewebe und ‑regionen beeinflussen, wie das Kleinhirn. Es könnte sein, dass wir von den Neandertalern Merkmale der Hirnentwicklung geerbt haben, die es bei unseren Vorfahren nicht gab, bevor die beiden Gruppen sich kreuzten. Für wahrscheinlicher halten wir allerdings ein anderes Szenario: Die neu hinzugekommene Neandertaler-DNA dürfte die genetischen Kontrollmechanismen für außerordentlich komplexe Beeinträchtigungen des Gehirns wie Autismus, ADHS oder Depression beim H. sapiens abgewandelt, nicht aber außer Kraft gesetzt oder ausgetauscht haben.

Womöglich trägt Hybridisierung im Allgemeinen – als genetische Unverträglichkeit – zur Anfälligkeit für Autismus bei

Wir interessieren uns jedoch nicht nur für die DNA der Neandertaler. Womöglich trägt Hybridisierung im Allgemeinen, quasi als genetische Unverträglichkeit, zur Anfälligkeit für Autismus bei. Wenn das stimmt, können wir damit rechnen, dass auch die DNA der Denisova-Menschen – die sich ebenfalls mit H. sapiens gekreuzt hatten und bei manchen ethnischen Gruppen, vor allem in Asien, genetische Spuren hinterlassen haben – eine Rolle für Autismus und andere neurologische Erscheinungen spielt. Daher werden wir in der nächsten Phase unserer Forschungsarbeiten nach Einflüssen der Denisovaner suchen.

Warum sind die Neandertaler-Varianten nicht schon längst verschwunden?

Wie die mit ADHS assoziierten Versionen der Neandertaler-DNA, die aus dem Erbgut der heutigen Menschen allmählich verloren gehen, so werden auch die seltenen Varianten autistischer Personen aus dem Genpool beseitigt. Manche Formen der Neandertaler-DNA verlieren sich wahrscheinlich einfach durch das Gesetz der großen Zahl, wie Populationsgenetiker es nennen: Demnach verschwinden ungewöhnliche Varianten im Lauf der Zeit unabhängig von ihren Auswirkungen auf den Organismus langsam aus einer großen Population. Andere Neandertaler-DNA-Varianten sind vielleicht geringfügig schädlich und beeinträchtigen die Fähigkeit eines Individuums, Kinder zu bekommen und das eigene Erbgut weiterzugeben.

Aus der Forschung ist bekannt, dass Menschen mit Autismus im Durchschnitt deutlich weniger Kinder haben als die Allgemeinbevölkerung, wenngleich manche von ihnen natürlich Nachwuchs bekommen. Doch wir wissen nicht, ob die Fortpflanzungsquote geringer ist, weil Autisten Schwierigkeiten mit Liebesbeziehungen haben oder weil bei ihnen häufiger bestimmte Gesundheitsstörungen wie das polyzystische Ovarialsyndrom auftreten, die sich auf die Fruchtbarkeit auswirken. Für die Antwort spielen vermutlich mehrere Faktoren eine Rolle. Unabhängig von den Gründen bedeutet eine niedrigere Zahl an Nachkommen allerdings, dass weniger genetische Varianten, die mit Autismus assoziiert sind, über längere Zeit weitergegeben werden. Wenn diese Versionen also seltener vererbt werden, stellt sich die Frage: Warum sind sie im menschlichen Genom überhaupt noch vorhanden?

Wenn es um Autismus geht, konzentriert sich die Medizinergemeinde traditionell auf die Defizite und Schwierigkeiten der Betroffenen. Der Ansatz wurzelt im medizinischen Modell der »Behinderung«, wonach Unterschiede in der neuronalen Entwicklung ärztlich behandelt werden sollten, um die Störung »zu reparieren« und für ein möglichst normales Verhalten des Patienten zu sorgen. Zum autistischen Spektrum gehören aber auch Merkmale, die im Zuge der evolutionären Anpassung des menschlichen Gehirns entstanden sein könnten – sei es eine verbesserte visuell-räumliche Verarbeitung, ein außergewöhnliches Gedächtnis oder ein gesteigertes Maß an Kreativität. Laut genetischen Studien gehen viele häufige, mit Autismus assoziierte Erbgutvarianten mit hoher Intelligenz, erweiterten kognitiven Fähigkeiten oder guten schulischen Leistungen einher.

Viele mit Autismus assoziierte Erbgutvarianten gehen mit hoher Intelligenz, erweiterten kognitiven Fähigkeiten oder guten schulischen Leistungen einher

Darüber hinaus wählen Familienangehörige von Autisten oft Berufe in Wissenschaft und Technik, und unseren Studien zufolge haben vermutlich auch sie einige dieser raren Neandertaler-Varianten geerbt. Wenngleich sich also autistische Menschen im Durchschnitt seltener fortpflanzen, sorgen ihre nicht autistischen (womöglich dennoch neurodivergenten) Familienmitglieder dafür, dass die DNA im Genpool bleibt. Mit anderen Worten: Obwohl manche Evolutionsfaktoren mit Autismus zusammenhängende, von Neandertalern stammende genetische Varianten aus dem Erbgut des Menschen verdrängen, tragen andere Faktoren dazu bei, sie zu erhalten.

Ob die mit Autismus assoziierte Neandertaler-DNA ebenfalls in Verbindung mit Intelligenz, Inselbegabungen oder allgemeiner Kreativität steht, wissen wir zwar noch nicht, aber allmählich fügt sich ein Bild zusammen. Sollte ein solcher Zusammenhang bestehen, spricht er dafür, dass die Vermischung mit den Neandertalern bei unserer Spezies zahlreiche Aspekte der Hirnevolution beeinflusst hat. So betrachtet, stellt die Neandertaler-DNA nicht nur einen Teil der Geschichte über Autismus und andere neurologische oder psychologische Besonderheiten dar; vielmehr ist sie ein zentraler Bestandteil der Geschichte von uns allen.