Paranthropus robustus: Uralte Proteinschnipsel eines Vormenschen entziffert
Vor etwa sieben Millionen Jahren entstanden die ersten Homininen in Afrika, zu denen die Spezies der Gattung Homo und deren Vorfahren zählen. Forscherinnen und Forscher haben nun von einem Vertreter jener Gruppe, Paranthropus robustus, der vor zirka zwei Millionen Jahren gelebt hatte, Informationen über deren Zahnproteine ausgelesen. Es handelt sich dabei um die ältesten bisher bekannten proteomischen Daten eines Homininen – die unter anderem verraten, welchem Geschlecht dieser Vormensch angehörte.
Ein Team um Enrico Cappellini und Palesa Madupe von der Universität Kopenhagen veröffentlichte am 3. Juli 2023 auf dem Preprint-Server »bioRxiv« eine noch nicht begutachtete Studie über Proteinsequenzen, die aus mehreren Zahnfossilien von Paranthropus robustus stammen. Die Zähne fanden sich in einer Höhle in Südafrika. Die proteomischen Daten stellen die ältesten ihrer Art dar, die je von einem Homininen gesammelt wurden. Bislang galt es als unwahrscheinlich, jemals derart alte proteomische Überbleibsel aufzuschnappen, sagen Experten.
»Es ist ein erstaunliches Ergebnis«, erklärt auch die naturwissenschaftliche Archäologin Katerina Douka von der Universität Wien. Bei solch einem hohen Alter hätten sich die Überreste »fast schon in Stein verwandelt«, fügt die Forscherin hinzu. Noch ist unklar, ob die wenigen gewonnenen Sequenzen dazu beitragen werden, die evolutionären Zusammenhänge im Stammbusch des Menschen und seiner Vorfahren zu entwirren sowie jahrzehntealte Debatten darüber voranzutreiben. »Niemand weiß wirklich, wie nützlich dies sein wird«, sagt Molekulararchäologin Beatrice Demarchi von der Universität Turin, die nicht an der Preprint-Studie beteiligt war.
Alte DNA bleibt nur unter bestimmten Bedingungen erhalten
Im Jahr 2022 entzifferten Paläogenetiker zirka zwei Millionen Jahre alte Genschnipsel. Die Fragmente stammten aus Sedimenten des grönländischen Permafrosts. Aus der gewonnenen Umwelt-DNA rekonstruierten die Forscher das urzeitliche Ökosystem und stellten zugleich einen Rekord auf: Älter war bis dahin keine andere analysierte DNA. Allerdings zerfällt Erbgut in wärmeren Klimazonen schneller als in kalten Regionen wie Grönland. Die bislang älteste menschliche Kern-DNA zu sequenzieren, war daher auch ein aufwändiges Unterfangen. Es ist das 400 000 Jahre alte Genom eines Neandertalers, das in Überresten aus der Höhle Sima de los Huesos in Spanien überdauert hatte.
Weil Proteine in der Regel beständiger sind als DNA, ist es Forschern und Forscherinnen überhaupt gelungen, derart alte Biomoleküle zu dokumentieren. Im Jahr 2016 konnte Demarchis Team aus den Eierschalen von Straußen (Struthionidae) in Tansania Proteinabschnitte extrahieren. Die Funde sind bis zu 3,8 Millionen Jahre alt. Einige Jahre später sequenzierte dann eine Forschergruppe unter der Leitung von Enrico Cappellini Schnipsel von Zahnproteinen aus etwa 800 000 Jahre alten Überresten eines Homo antecessor, die sich in Spanien fanden. Ebenso entzifferten sie fragmentarische Sequenzen aus den georgischen Fossilien eines 1,8 Millionen Jahre alten Homo erectus.
In der neuen Studie von 2023 hat das Team um Cappellini vier Zähne von Paranthropus robustus aus der Swartkrans-Höhle untersucht, die 40 Kilometer nordwestlich von Johannesburg liegt. Fachleute sind sich seit Langem uneins darüber, wie eng diese Homininen mit anderen alten Menschenarten verwandt sind.
Mit Proteinen das Geschlecht bestimmen
Die Forschergruppe um Cappellini nutzte für ihre Arbeit die so genannte Amelogenin-Analyse. Dazu wird Probenmaterial in einem Massenspektrometer ausgelesen, um für den Zahnschmelz typische Bestandteile von Aminosäuren zu identifizieren. Dabei detektierten die Wissenschaftler auch ein Protein namens Amelogenin Y, das von einem Gen auf dem Y-Chromosom codiert wird. Taucht es bei einer Analyse auf, ist daher sicher: Der Zahn stammte aus dem Gebiss eines männlichen Homininen. Die Arbeitsgruppe fand es in zwei seiner Proben. Einer der beiden Zähne war zuvor auf Grund seiner geringen Größe als weiblich bestimmt worden. Bei den beiden anderen Zähnen spürten die Fachleute um Cappellini keine Anzeichen von Amelogenin Y auf; sie enthielten nur die Variante des Proteins, die auf dem X-Chromosom produziert wird. Offenbar gehörten die Zahnfunde einst zu weiblichen Exemplaren von Paranthropus.
Das Wissenschaftlerteam sequenzierte jeweils ungefähr 400 derselben Aminosäuren in allen vier Proben. Auf diese Weise konnte es einen einfachen Stammbaum erstellen, der bestätigt: Homo sapiens, Neandertaler und Denisovaner, die alle vor zirka 200 000 Jahren und danach gelebt haben, sind enger miteinander verwandt als jeder von ihnen mit den untersuchten zwei Millionen Jahre alten Paranthropus-Individuen. Alles andere wäre aber auch eine große Überraschung gewesen, sagt Douka.
In einem Protein des Zahnschmelzes entdeckten die Forschenden allerdings Unterschiede zwischen den Sequenzen der vier Paranthropus-Vertreter. Womöglich weisen die Abweichungen auf Varianten innerhalb der Spezies hin.
Einen Stammbaum aus derart alten proteomischen Daten zu erstellen, »kann als potenzieller Durchbruch für die Paläoanthropologie betrachtet werden«, schreiben Cappellini und seine Kollegen im Preprint. Ihres Erachtens könnten Studien zu alten Proteinen darüber aufklären, wo im Stammbaum beispielsweise Australopithecus afarensis – von dem viele Fossilien und das vollständigere Exemplar mit dem Spitznamen Lucy bekannt sind – seinen Platz hat.
Skepsis unter Forschern, was die Proteomik leisten kann
Andere Experten sind weniger überzeugt. Laut ihnen ist noch nicht abzusehen, ob die Proteomik die Menschwerdung genauer aufschlüsseln kann. Denn momentan beruhen die meisten Erkenntnisse noch auf anatomischen Studien von fossilen Knochen. Einer jener Experten ist der Paläogenetiker Pontus Skoglund vom Francis Crick Institute in London.
Der Variantenreichtum bei Proteinen im Zahnschmelz sei eher gering, betont er. Daher liefern die 425 Aminosäuren, aus denen Cappellinis Team den Stammbaum erstellt hat, weniger aussagekräftige Informationen als die ersten Sequenzen aus dem mitochondrialen Erbgut von Neandertalern, das Forscher 1997 sequenziert hatten. Sie entzifferten zirka 360 Basenpaare der mtDNA, die eine große Variationsbreite aufwiesen. Daher dürften anatomische Studien erst einmal weiterhin zuverlässigere Ergebnisse für den Stammbusch des Menschen liefern als alte Proteine. »Es liegt noch ein langer Weg vor uns in der evolutionären Proteomik«, sagt Skoglund.
Demarchi stimmt dem zu, sie ist aber auch begeistert von der Möglichkeit, das Geschlecht von Fossilien, insbesondere von Tieren, zu bestimmen. So käme es häufig vor, dass geschlechtsspezifische Größenunterschiede fälschlicherweise als Artunterschiede gedeutet werden und umgekehrt. Fossilien von Paranthropus robustus jedenfalls wurden anfangs als Männchen einer anderen, kleineren Homininenspezies im Süden Afrikas bestimmt.
Sollten in Zukunft häufiger proteomische Analysen im Bereich der Paläoanthropologie durchgeführt werden, sei es wichtig, die möglichen Erkenntnisse gegen die Schäden durch die Probeentnahme abzuwägen, meint Skoglund. Sein Labor forscht an zerstörungsfreien proteomischen Methoden. Er und sein Team wollen Proben ausschließen, die keine guten Daten erbracht hätten. Er sagt: »Es ist wichtig zu berücksichtigen, ob Proben vielleicht keine Ergebnisse liefern.«
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.