Epigenetik

Die Epigenetik sorgt für die Regulation der Genaktivität ohne Veränderung der DNA-Sequenz. Was genau du darunter verstehst, welche Regulationsmechanismen es gibt und wie die Epigenetik beeinflusst wird, erfährst du hier. 

Was ist Epigenetik?

Sind wir durch unsere Gene „vorprogammiert“ oder hat die Umwelt einen Einfluss auf die Genaktivität? Diese Frage kann dir die Epigenetik beantworten. Epigenetische Mechanismen legen fest, wann welches Gen abgelesen oder stummgeschalten wird. Dabei geht es um die Regulation der Genaktivität ohne Veränderungen der DNA-Sequenz. 

Eine DNA Sequenz ist aus einer Abfolge von verschiedenen Basen aufgebaut. Im Gegensatz zur Mutation findet bei der Epigenetik keine Veränderung in der Reihenfolge dieser Basen statt. Stattdessen werden chemische Moleküle an die DNA selbst oder an Proteine, die an die DNA binden, angehängt. Die Moleküle kannst du dir wie eine Art Vorhängeschloss vorstellen, welches bestimmte Informationen verschließen und wieder freigeben kann. 

Durch die Modifikationen entsteht sozusagen eine zweite Informationsebene oberhalb unseres Genoms. Jeder von uns hat nämlich nur ein Genom, aber viele verschiedene sogenannte Epigenome (griech. epi = über). Die Veränderungen in der Epigenetik hängen dabei von Umwelteinflüssen ab.

Das erklärt zum Beispiel, wieso bei Zwillingen manchmal nur einer von beiden eine Krankheit bekommt, obwohl sie genetisch identisch sind. Aufgrund von Epigenetik können außerdem unsere Zellen trotz gleicher Erbinformation viele verschiedene Zelltypen ausbilden. 

Epigenetik Definition

Wie funktioniert Epigenetik?

Doch wie genau funktioniert der epigenetische Code und wie werden die Informationen im Epigenom gespeichert? Die Regulation der Genaktivität läuft über chemische Modifikationen, wie die Methylierung. So wird bestimmt, wann und wo welche Gene abgelesen werden. Dadurch können sich Zellen spezialisieren und bestimmte Aufgaben übernehmen. Ein Beispiel dafür sind Muskel- oder Nervenzellen. Das Ausschalten der Gene ist reversibel und kann somit wieder rückgängig gemacht werden. 

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Ablesen der Gene (Transkription) zu verhindern. Du kannst die sogenannten Histonproteine modifizieren. Das sind spezielle Proteine, auf die DNA aufgewickelt wird, damit sie weniger Platz im Zellkern einnimmt. Du kannst aber auch die Struktur der DNA durch direktes Anhängen bestimmter chemischer Gruppen verändern.

DNA Methylierung

Die erste Regulationsmöglichkeit ist die DNA Methylierung. Sie ist eine direkte epigenetische Veränderung der DNA. Dabei hängen Enzyme zusätzliche Methylgruppen an bestimmte Basen der DNA an. Die verantwortlichen Enzyme nennst du DNA-Methyltransferasen. Eine häufige Veränderung ist die Methylierung von Cytosin in Cytosin-Guanin Dinukleotiden. Sie befinden sich oft in Bereichen nahe des Starts der Transkription (= Promotorbereich). So kann die Transkription verhindert und Gene durch das Anhängen von Methylgruppen ausgeschalten werden. Enzyme, die die Methylgruppen entfernen, können die Gene aber auch wieder aktivieren.  

Histonmodifikation

Eine zweite wichtige Regulationsmöglichkeit ist die Histonmodifikation. Histone sind Proteine im Zellkern von Eukaryoten. Damit der lange DNA-Strang überhaupt in unseren Zellkern passt, muss er sozusagen klein verpackt werden. Die Histonproteine kannst du dir dabei wie eine Kabeltrommel vorstellen, auf welche du die DNA aufwickeln kannst. Auf Histone aufgewickelte DNA heißt auch Chromatin. Manchmal müssen aber bestimmte Abschnitte der DNA zugänglich sein, um abgelesen werden zu können. Deshalb muss eine Zelle also regulieren können, wann sie welche Abschnitte verpackt. Das läuft über die chemische Modifikation der Histone (Histon Code). 

Zur chemischen Modifikation unseres Erbguts können Enzyme bestimmte Gruppen wie Acetyl- oder Methylgruppen an die Enden der Histone anhängen. Abhängig von der jeweiligen Modifikation hat das unterschiedliche Auswirkungen auf die Struktur der DNA. 

Die Histon Acetylierung beschreibt das Anhängen negativ geladener Acetylgruppen. Auch das DNA-Rückgrat ist negativ geladen. Gleiche Ladungen stoßen sich bekanntlich ab. Deswegen öffnet sich die Chromatin Struktur. Die Acetylgruppen führen also zu einer lockereren Verpackung der DNA. Das offene Chromatin bezeichnest du auch als Euchromatin. Daran können dann Transkriptionsfaktoren binden und die DNA kann abgelesen werden. Auch diese Modifikation können Enzyme wieder rückgängig machen. Dadurch schalten sie die entsprechenden Gene wieder aus.

Die Histon Methylierung, also das Anhängen von Methylgruppen an die Histonschwänze kann je nach Ort der Modifikation sowohl zum An- als auch zum Abschalten von Genen führen. Wenn es dabei zu einer dichteren Verpackung des Erbguts kommt, nennst du die Struktur Heterochromatin. Der DNA-Strang ist dann nicht zugänglich und es kann keine Genexpression stattfinden. 

Epigenetik Einflussfaktoren

Die epigenetische Modifikation wird durch verschiedene Faktoren aus der Umwelt beeinflusst. Dadurch verändert sich das Epigenom eines Menschen im Laufe des Lebens abhängig vom Lebensstil. 

Das lässt sich vor allem erkennen, wenn du Zwillinge zu verschiedenen Zeitpunkten in ihrem Leben vergleichst. Sie haben die gleiche genetische Ausstattung und können trotzdem sehr unterschiedlich sein. Im Kleinkind Alter sind die epigenetischen Markierungen des Erbguts noch sehr ähnlich. Je später man die Zwillinge wieder vergleicht, desto größer sind die Unterschiede in der Epigenetik. Dabei sind die Unterschiede auch größer, je mehr sich die jeweiligen Lebensstile unterscheiden. 

Eine Rolle bei epigenetischen Veränderungen spielen zum Beispiel giftige Chemikalien, Stress oder die Ernährung.

Epigenetik Ernährung

Schauen wir uns die Auswirkungen der Ernährung auf die Epigenetik mal anhand von Beispielen an. 

Zum Beispiel ist es aus epigenetischer Sicht gesund, wenn du Brokkoli isst oder grünen Tee trinkst. Das lässt sich dadurch erklären, dass sie Substanzen enthalten, die sozusagen als „Methylgeber“ wirken. Sie helfen bei der Methylierung der Gene. Du solltest es aber auch nicht übertreiben, da zu viele Methylgruppen (Hypermethylierung) zur Entstehung von Krebs führen können.

Im Tierreich gibt es ein besonders beeindruckendes Beispiel, wie Nahrung das Ablesen der Gene (Genexpression) beeinflussen kann. Und zwar bei den Bienen. Eine unterschiedlich lange Fütterung mit dem sogenannten Gelée Royale entscheidet, ob aus einer Biene eine Königin oder eine Arbeiterbiene wird. Nur durch Veränderungen des Methylierungsmusters der DNA werden Lebensdauer, Aussehen und Verhalten der Biene beeinflusst. 

Epigenetik Trauma

Auch Stress oder traumatische Erlebnisse im Leben können Einfluss auf unser Erbgut haben. So konnten Wissenschaftler zum Beispiel herausfinden, dass mangelnde Fürsorge bei Babys epigenetische Auswirkungen haben kann. Eine Methylierung bestimmter Gene des Stresssystems wird sichtbar. Das kann zu einem höheren Risiko für psychische Erkrankungen wie Depressionen oder Angststörungen führen. Das zeigt, wie sehr Epigenetik mit bestimmten Krankheiten zusammenhängen kann. 

Man hofft deshalb, auch Informationen über andere genetisch unerklärbare Krankheiten zu bekommen. Das Verständnis der epigenetischen Mechanismen soll bei der Behandlungen von Alzheimer, Schizophrenie oder Alters-Diabetes helfen. Dann lässt sich vielleicht auch die Frage beantworten, ob ein höheres Risiko für Diabetes oder Alzheimer epigenetisch vererbbar ist.

Epigenetik Vererbung

Zuletzt bleibt noch die Frage, ob epigenetische Veränderungen über Generationen hinweg vererbt werden können. Diese Frage konnten Wissenschaftler für uns Menschen noch nicht vollständig klären. Denn das Problem ist die Unterscheidung zwischen epigenetischer Vererbung und Einflüssen auf das Kind bereits im Mutterleib.

Das kannst du am besten anhand eines Beispiels verstehen. Im Hungerwinter 1944/45 brachten in den Niederlanden viele Frauen untergewichtige Kinder zur Welt. Diese Kinder bekamen von ihren Müttern sozusagen die Information „Hungersnot“ übermittelt. Später konnten Veränderungen im Epigenom gefunden werden, die öfter zu Krankheiten wie Diabetes und Übergewicht führten. Denn der Körper war nicht darauf programmiert, dass es wieder genug Nahrung gab und konnte den Zucker nicht richtig abbauen. Hier handelt es sich aber vermutlich eher um eine epigenetische Prägung im Mutterleib als um eine generationsübergreifende Vererbung. 

Bisher konnte man die epigenetische Vererbung nur bei Fruchtfliegen und Mäusen beweisen. 

In einer Studie konnten Forscher zeigen, dass Mäuse eine erworbene Fettleibigkeit epigenetisch vererben. Die Nachkommen der dicken Mäuse zeigen ebenfalls eine Gewichtszunahme und eine Insulinresistenz. Sie haben also Probleme bei der Regulierung ihres Blutzuckerspiegels. Die Auswirkungen auf den Nachwuchs hängen dabei auch mit dem Geschlecht zusammen. 

Bei den Fruchtfliegen vererben Mütter ihren Nachkommen sozusagen eine Art „Überlebens-Anleitung“ anhand von Methylierungen. Mithilfe der Epigenetik sichern die Fliegen das Überleben ihres Nachwuchses. Denn ohne die Methylierung bestimmter Gene starben die Embryonen an Entwicklungsstörungen.