Epigenetik – Es steht doch nicht alles in den Genen

Alle Zellen eines Organismus (auch des Menschen) besitzen das gleiche Genom, das heisst die gleiche Information, um den gesamten Organismus zu bauen. Wie ist es dann möglich, dass es so viele verschiedene Arten von Zellen gibt, wie Hautzellen, Muskelzellen oder Leberzellen, die unterschiedliche Funktionen im Körper ausüben? Der Trick ist, dass jede Zellart andere Abschnitte des Genoms abliest. Wenn man sich die DNA wie ein Buch vorstellen würde, würden Leberzellen nur das Kapitel über die Leber lesen und Hautzellen nur das Kapitel über die Haut.

Epigenetische Veränderungen finden auf Ebene der DNA und des Chromatins statt.

Epigenetische Veränderungen finden auf Ebene der DNA und des Chromatins statt. Bild: Andrea Danti/Shutterstock.com

Epigenetische Merkmale dienen der Genregulation

In fast allen unserer Zellen befinden sich die gleichen Gene und trotzdem bestehen wir aus vielen unterschiedlichen Zellen, die unterschiedliche Funktionen ausüben. Das ist möglich, da in jeder Zelle nur ein Teil unserer über 20’000 Gene jeweils abgelesen wird. Der grosse Rest ist „stumm“ (man sagt auch „inaktiv“). In einer Hautzelle sind andere Gene eingeschaltet als zum Beispiel in einer Leberzelle.

Welche Gene ein- und welche ausgeschaltet sind (Wissenschaftler nennen dies „Genregulation“), hängt unter anderem von epigenetischen Merkmalen ab. „Epi“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „darüber“ oder „darauf“. Epigenetische Merkmale sind also Merkmale, die zusätzlich zu den genetischen Merkmalen (also der DNA-Sequenz) vorkommen und vererbt werden. Die Gesamtheit der epigenetischen Merkmale einer Zelle nennt man das Epigenom der Zelle. Es handelt sich dabei um Veränderungen an der DNA (aber keine Veränderungen der Sequenz) und am Chromatin (s. weiter unten). Diese Veränderungen werden von Enzymen herbeigeführt und werden an die nächste Zellgeneration vererbt, so dass aus Hautzellen immer Hautzellen werden und nicht etwa plötzlich Leberzellen. Epigenetische Merkmale sind eine Art Gedächtnis der Zellen und für die korrekte Entwicklung und Funktion eines Organismus unabdingbar, da sie die Spezialisierung der Körperzellen koordinieren. Wie dieses epigenetische Gedächtnis bei der Zellteilung vererbt wird, ist noch unklar.

Verschiedene Ein-/Aus-Schalter

Es gibt verschiedene Arten, wie eine epigenetische Genregulation stattfinden kann, wir erwähnen hier zwei davon:

DNA-Methylierung
Die DNA kann eine chemische Veränderung erfahren, indem ein Enzym (Methylase) eine Methylgruppe an eine DNA-Base bindet. Die Basenabfolge verändert sich dabei aber nicht; es handelt sich also um eine epigenetische Veränderung. Proteine, die notwendig sind, um Gene abzulesen, können methylierte DNA nicht gut binden. Dadurch kann DNA-Methylierung zur Stilllegung eines Gens führen. DNA-Methylierung ist ein umkehrbarer Prozess. Es gibt Enzyme (Demethylasen), die die DNA-Base demethylieren und das Ablesen eines Gens wieder ermöglichen. 

Verpackung der DNA durch Histone
Die DNA liegt nicht frei in der Zelle, sondern ist um Proteinkomplexe (Histone) geschlungen und dadurch dicht verpackt. Diese Struktur aus DNA und Proteinen nennt man Chromatin.  DNA ist negativ geladen, Histone sind positiv geladen. Wenn ein Gen abgelesen werden soll, muss die DNA zuerst „entpackt“ werden. Dazu werden bestimmte chemische Verbindungen (Acetylgruppen) an diejenigen Histone gebunden, um die der gewünschte DNA-Abschnitt (also das gewünschte Gen) gewickelt ist. Das Anheften der Acetylgruppe (die eine negative Ladung trägt) hebt die positive Ladung der Histone auf, wodurch sich die Histone von der negativ geladenen DNA lösen können und dadurch die DNA weniger dicht verpackt ist. Das entsprechende Gen ist nun zugänglich für regulative Proteine (Transkriptionsfaktoren), die das Ablesen des Gens ermöglichen.

DNA-Methylierung und Acetylierung der Histone.

DNA-Methylierung führt zur Stilllegung eines Gens. Acetylierung der Histone ermöglicht den Zugang zu einem Gen. Bild angepasst von: National Institutes of Health/Wikimedia Commons

Die Umwelt kann das Epigenom und die Genregulation beeinflussen

Die Spezialisierung der Körperzellen geschieht nach einem zellinternen Programm, der Ablauf ist also genetisch und epigenetisch festgelegt. Umwelteinflüsse können aber auch Spuren im Erbgut eines Lebewesens in Form von epigenetischen Veränderungen  hinterlassen. Ein gutes Beispiel dafür sind eineiige Zwillinge. Sie haben die gleiche DNA-Sequenz, da sie aus der gleichen befruchteten Eizelle stammen. Dennoch entwickeln sie sich zu unterschiedlichen Individuen, da sie in ihrem Leben unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.

Epigenetische Merkmale können vererbt werden

Epigenetische Merkmale können sogar an die Nachkommen vererbt werden. Holländische Frauen, die im Hungerwinter 1944/1945 schwanger waren, brachten untergewichtige Kinder auf die Welt. Als diese Kinder später selbst Mütter wurden, waren ihre Kinder auch eher klein, obwohl sie in Zeiten mit Nahrungsüberfluss gezeugt wurden. Die Lebensbedingungen der Grosseltern haben also das Erbgut der Enkel beeinflusst und das obwohl die DNA-Sequenz nicht verändert wurde.

Die Erkenntnis, dass von der Umwelt induzierte Veränderungen vererbt werden können, war in der Wissenschaft eine Sensation, da bis vor kurzem die Ansicht herrschte, dass nur in der DNA-Sequenz „geschriebene“ Merkmale vererbt werden können. Das Forschungsgebiet der Epigenetik ist noch ganz jung und man darf auf weitere faszinierende Entdeckungen gespannt sein.

Mit Wärme die Augenfarbe beeinflussen
Im Labor konnte man das Vererben  epigenetischer Merkmale nachstellen. Professor Renato Paro von der ETH Zürich und sein Team haben etwas Spannendes herausgefunden: Die Augenfarbe eines bestimmten Stammes einer Fruchtfliege lässt sich durch die Umgebungstemperatur beeinflussen! Diese speziell gezüchteten Fliegen haben nämlich normalerweise weisse Augen. Doch wenn ihre Embryonen für kurze Zeit bei 37°C (anstatt wie normal bei 25°C) gehalten werden, sind die Augen der später schlüpfenden Fliegen rot.

Als die Forscher diese rotäugigen Fliegen untereinander kreuzten, hatten ein Teil ihrer Nachkommen (ohne Wärmebehandlung) wieder rote Augen. Und auch bei den Enkeln und Urenkeln kamen rotäugige Fliegen vor. Anscheinend hat die Wärmebehandlung das Erbgut der Fliegen verändert, und diese Veränderung wurde über mehrere Generationen vererbt. Die DNA-Sequenz (also die Reihenfolge der Basen) des für die Augenfarbe verantwortlichen Gens wurde jedoch nicht beeinflusst und zeigt keinen Unterschied zwischen den weissäugigen Eltern und den rotäugigen Nachkommen.

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meegabio schrieb:

Sehr gut geschriebener Artikel! Nicht zu lange, gut verständlich und hilfreich. Sehr cool!