Seit Jahrtausenden sind Menschen, die hoch in den argentinischen Anden leben, auf Trinkwasser angewiesen, das die meisten Menschen todkrank machen würde.
Dort sickert natürlich vorkommendes Arsen im vulkanischen Grundgestein in das Grundwasser und kontaminiert die lokale Wasserversorgung mit Konzentrationen des giftigen Halbmetalls, die für die meisten menschlichen Bevölkerungen ernsthafte Gesundheitsrisiken darstellen würden.
Aber für eine Gruppe im Norden Argentiniens könnte die natürliche Selektion einen ungewöhnlichen genetischen Vorteil verschafft haben.
Laut einer DNA-Analyse von Menschen im gesamten westlichen Südamerika trägt eine Population in den argentinischen Anden eine Genvariante, die ihnen wahrscheinlich hilft, Arsen sicherer zu metabolisieren.
„Anpassung treibt genomische Veränderungen voran; jedoch bleiben Beweise für spezifische Anpassungen beim Menschen begrenzt“, schrieb ein Team unter der Leitung der Evolutionsbiologinnen Carina Schlebusch und Lucie Gattepaille von der Universität Uppsala in einer Studie aus dem Jahr 2015.
„Unsere Daten zeigen, dass die Anpassung zur Tolerierung des Umweltstressors Arsen wahrscheinlich zu einer Zunahme der Häufigkeiten von schützenden Varianten von AS3MT geführt hat, was den ersten Beweis für die menschliche Anpassung an eine giftige Chemikalie liefert.“
Mit genügend Zeit und einer ausreichend sanften Exposition gegenüber einer Gefahr hat das Leben eine bemerkenswerte Fähigkeit bewiesen, sich an alle Arten von wilden Bedingungen anzupassen – von extremer Hitze über völligen Sauerstoffmangel bis hin zu gefährlichen Strahlungswerten.
Es ist jedoch relativ wenig darüber bekannt, wie sich menschliche Bevölkerungen an giftige Chemikalien in ihrer Umwelt anpassen. Arsen ist hochgiftig und wird mit Krebs, Hautläsionen, Geburtsfehlern und frühem Tod in Verbindung gebracht. Es ist auch weit verbreitet und kommt natürlicherweise in vielen Regionen der Welt in hohen Konzentrationen im Grundwasser vor.
Der aktuelle empfohlene Grenzwert für Arsen im Trinkwasser, der von der Weltgesundheitsorganisation festgelegt wurde, beträgt 10 Mikrogramm pro Liter.
Bis zur Installation eines Filtersystems im Jahr 2012 hatte die abgelegene, hoch gelegene Stadt San Antonio de los Cobres auf dem argentinischen Puna de Atacama-Plateau Trinkwasser, das rund 200 Mikrogramm Arsen pro Liter enthielt – etwa das 20-fache des empfohlenen Grenzwerts.
Dennoch ist die Region seit Jahrtausenden bewohnt – mindestens 7.000 Jahre und vielleicht sogar bis zu 11.000 Jahre.
Diese scheinbare Fähigkeit, gefährlich hohe Arsenwerte zu ignorieren, gab Wissenschaftlern jahrzehntelang Rätsel auf. 1995 stellten Wissenschaftler fest, dass Frauen aus den argentinischen Anden eine „einzigartige“ Fähigkeit zur Verstoffwechselung von Arsen hatten, was durch Metaboliten in ihrem Urin belegt wurde.
Wenn Arsen in den Körper gelangt, wandeln Enzyme es in verschiedene chemische Formen um. Eine dieser Zwischenformen, monomethyliertes Arsen (MMA) genannt, ist besonders giftig. Eine spätere Form, dimethyliertes Arsen (DMA), lässt sich vom Körper leichter über den Urin ausscheiden.
Die Menschen in San Antonio de los Cobres produzierten tendenziell weniger des toxischen Zwischenprodukts und mehr von der leicht ausscheidbaren Form, was darauf hindeutet, dass ihre Körper bei der Verarbeitung von Arsen ungewöhnlich effizient waren.
Fasziniert wollten Schlebusch, Gattepaille und ihre Kollegen das Rätsel auf genetischer Ebene lösen.
Das Team sammelte mithilfe von Wangenabstrichen DNA von 124 Frauen in San Antonio de los Cobres, deren Urinproben dasselbe Arsen-Metabolitenprofil wie in der Studie von 1995 aufwiesen. Dann analysierten sie Millionen von genetischen Markern im gesamten Genom.
Um festzustellen, ob die Genvariante einzigartig für die argentinische Bevölkerung war, verglichen die Forscher ihre Ergebnisse mit öffentlich zugänglichen Genomdaten aus Peru und Kolumbien, die aus dem internationalen 1000-Genome-Projekt stammten.
Frühere Forschungen zeigten, dass ein Enzym namens Arsen (+3 Oxidationsstufe) Methyltransferase (AS3MT) eine Schlüsselrolle im Arsenstoffwechsel spielen könnte, weshalb die Forscher ihre Bemühungen darauf konzentrierten.
Sie fanden eine Häufung genetischer Varianten in der Nähe des AS3MT-Gens, die stark beeinflussten, wie der Körper Arsen verarbeitet. Diese Varianten traten bei Menschen aus San Antonio de los Cobres weitaus häufiger auf als bei genetisch ähnlichen Populationen in Peru und Kolumbien.
Die Varianten scheinen den Körper effizienter darin zu machen, Arsen in Formen umzuwandeln, die sicher über den Urin ausgeschieden werden können, wodurch die Ansammlung der giftigsten Zwischenverbindungen verringert wird – ein Ergebnis, das genau mit früheren Studien über Arsen-Metaboliten im Urin übereinstimmt.
Obwohl eine Arsenkontamination weltweit verbreitet ist, haben nur sehr wenige Gemeinschaften über lange Zeiträume mit einem so hohen Expositionsniveau gelebt.
In San Antonio de los Cobres leben Menschen seit Jahrtausenden mit Arsen in ihrem Grundwasser – lang genug, dass die natürliche Selektion Merkmale begünstigt, die die Anfälligkeit für die toxischen Auswirkungen von Arsen verringern.
Spätere Forschungen deuten darauf hin, dass ähnliche genetische Signale auch bei anderen Andenpopulationen auftreten könnten, die über Generationen hinweg Arsen ausgesetzt waren. Dies stützt die Erkenntnisse, dass eine langfristige Exposition die genetische Toleranz fördern kann, und deutet darauf hin, dass die Anpassung in der gesamten Region weiter verbreitet sein könnte.
„Angesichts der schwerwiegenden schädlichen gesundheitlichen Auswirkungen von Arsen sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen“, schrieben die Forscher, „könnten Personen, die den Arsen-Toleranz-Haplotyp tragen… einen sehr starken selektiven Vorteil in arsenreichen Umgebungen haben.“
Die Forschung wurde in Molecular Biology and Evolution veröffentlicht.