Genetik
Genregulation
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Die Methylierung der DNA ist eine Markierung, die für das An- oder Abschalten bestimmter Gene sorgt. Wie das funktioniert und welche weiteren Funktionen die DNA-Methylierung besitzt, erklären wir dir in diesem Beitrag. Du lernst lieber audio-visuell? Kein Problem, dann ist unser anschauliches Video dazu genau das Richtige für dich!

Methylierung einfach erklärt 

Du kannst unter der DNA Methylierung (eng. dna methylation) eine chemische Veränderung der Bausteine in der DNA verstehen. Konkret bedeutet das, dass spezielle Enzyme Methylgruppen (-CH3) auf bestimmte DNA-Basen übertragen. Bei uns Menschen spielt hier vor allem Methylierung der Base Cytosin eine große Rolle. 

Die Methylierung bewirkt, dass bestimmte Gene (=Abschnitte auf der DNA, die für bestimmte Proteine codieren) „stummgeschaltet“ werden können. Dadurch kann keine Transkription stattfinden. Das hat wiederum zur Folge, dass der komplette Weg der Protein-/Enzymherstellung (Proteinbiosynthese ) für dieses Gen unterbunden wird. Durch diesen Regulationsprozess können unsere Zellen gezielt steuern, welche Genprodukte sie benötigen und welche nicht. 

Wichtig: Bei der Methylierung handelt es sich nicht um eine Mutation , sondern um eine Modifikation (Änderung der Struktur), die auch wieder rückgängig gemacht werden kann. Der Grundaufbau der Base und somit die Basenabfolge, in der unsere genetischen Informationen gespeichert sind, bleiben erhalten.  Du kannst hier von einer sogenannten epigenetischen Veränderung sprechen. 

Definition

Bei der Methylierung (eng. methylation) der DNA handelt es sich um eine Übertragung von Methylgruppen (-CH3) auf spezielle DNA-Basen. Es handelt sich um eine wichtige epigenetische Veränderung. 

DNA Methylierung

In der Biologie kannst du unter der DNA Methylierung eine natürliche Übertragung von Methylgruppen auf die DNA Basen Adenin und Cytosin verstehen. Hierfür sind spezielle Enzyme zuständig, deren Namen du dir ganz leicht einprägen kannst – die DNA Methyltransferasen (DNMT). 

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%DNA Methylierung; alt Text: DNA Methylierung, Nukleosom, Histon, DNA, Cytosin, Adenin, transkription, Epigenetik

%Animation: Hier die Histonmodifikation bitte weglassen; sonst gerne so in der Art animieren

Die entstehenden Basen bezeichnest du dann als Methyladenin und Methycytosin, wobei es von Methylcytosin zwei Varianten gibt, je nach dem wo die Methylgruppe im Molekül angefügt wird. Die Methylierung kann mithilfe sogenannter Demethylasen auch wieder rückgängig gemacht werden. Den Prozess bezeichnest du dann als Demethylierung

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%DNA Methylierung durch die Methyltransferasen; alt text: DNA Methylierung, Nukleosom, Histon, DNA, Cytosin, Adenin, Transkription, Epigenetik, Methyltransferasen

%Animation: Hier auf die Pfeile nur jeweils Methyltransferase schreiben; und bei den entstehenden Basen; Methyladenin und Methylcytosin (2 mal) schreiben; methylgruppe bitte hervorheben

Bei uns Säugetieren liegen 1-5 Prozent aller Cytosinreste in der DNA methyliert vor. Das tritt in der Regel nur auf, wenn nach einem Cytosinbaustein ein Guaninbaustein folgt (=CpG-Stelle). 

Wie du bereits gelernt hast, handelt es sich bei der DNA Methylierung um keine Mutation. Allerding kann es fälschlicherweise zu einer Umwandlung einer methylierten Cytosin-Base in eine Thymin-Base kommen (C -> T). Das kannst du auch als Punktmutation%Verweis Genmutation bezeichnen.  

Epigenetik Methylierung

Unter Epigenetik%Verweis verstehst du die Veränderung der Expression eines oder mehrerer Gene (=der Weg vom Gen zu einem Produkt). Es kommt hierbei aber zu keiner Änderung der DNA Sequenz. Ursachen für epigenetische Modifikation können Umweltfaktoren wie Stress, giftige Chemikalien oder die Ernährung sein.  Die Änderungen sind im Allgemeinen reversibel, können aber durchaus vererbbar sein.

Die DNA Methylierung stellt einen wichtigen epigenetischen Regulationsprozess dar. Neben den bereits kennengelernten modifizierten Basen, können auch die Proteine (Histone) unserer Chromosomen mittels Methylierung verändert werden. Das bezeichnest du dann als Histon Methylierung, die auch eine Inaktivierung von Genen zur Folge hat. 

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%Methylierung als epigenetische Veränderung; alt Text: DNA Methylierung, Nukleosom, Histon, DNA, Cytosin, Adenin, Transkription, Epigenetik, Methyltransferasen 

%Animation: Hier bitte links die DNA darstellen, unbedingt darauf achten, dass nach Cytosin Guanin angeordnet ist; bei den rechten abbildungen bitte die Acetylierung weglassen und unten einfach schreiben nicht methyliert und auch zeigen, dann dann Transkription stattfinden kann

Vorkommen

DNA Methylierung kommt in allen drei Domänen der Lebewesen (Eukaryoten , Bakterien und Archaeen ) in unterschiedlichen Formen vor. Bei Säugetieren ist vor allem die Methylierung von Cytosin relevant. 

DNA Methylierung Funktion

Je nach Organismus nimmt die DNA Methylierung unterschiedliche Funktionen ein. Bei Prokaryoten dient sie vor allem als Schutzmechanismus vor fremder DNA und zur Fehlerkorrektur. Bei Eukaryoten sorgt sie für eine „Markierung“ aktiver und inaktiver Regionen auf der DNA. 

DNA Methylierung als Schutzmechanismus

Bei Prokaryoten dient die DNA Methylierung als Schutzmechanismus zur Erkennung eigener und fremder DNA. Fremde DNA gelangt zum Beispiel über die Nahrung mittels Phagozytose in den Organismus.

Die Fremd-DNA wird meist nicht benötigt und kann durchaus Schaden im Lebewesen anrichten. Deshalb sorgen die DNA Methyltransferasen dafür, die Fremd-DNA zu markieren. Das bezeichnest du als Methylierungsmuster. Weitere Enzyme (Restriktionsendonukleasen) erkennen dieses Muster und zerschneiden die fremde DNA. Dadurch wird verhindert, dass es fälschlicherweise zu einer Zerstörung der eigenen DNA kommt. 

DNA Methylierung und Fehlerkorrektur

Bei einer Zellteilung zum Wachstum oder der Fortpflanzung muss zuvor das Erbgut vermehrt werden. Bei der DNA Replikation können sich allerdings auch Fehler einschleichen. Hierfür besitzen die Zellen bestimmte Enzyme, die an der neuen DNA entlang fahren, um Fehler zu erkennen und zu beheben (proof reading). Das kannst du dir wie bei einem Korrekturprogramm an deinem Computer vorstellen, das deinen geschrieben Text auf Fehler absucht. 

Allerdings müssen diese Enzyme auch erkennen, ob es sich um einen „alten“ oder einen frisch hergestellten DNA-Strang handelt. Hier kommt die Methylierung ins Spiel: der ursprüngliche Strang ist an den entsprechenden Stellen methyliert, der neu hergestellte nicht. Das System ist vor allem bei Bakterien von großer Bedeutung. 

DNA Methylierung als Markierung

Mithilfe der DNA-Methylierung entstehen „markierte“ Stellen auf bestimmten DNA-Regionen.  Du kannst du dir die Methylgruppen wie einen Textmarker vorstellen, der in deinem Text verschiedene Wörter hervorhebt. Die Wörter an sich bleiben dieselben, aber sie besitzen jetzt einen anderen Stellenwert. Genauso verhält es sich mit der Methylierung: Sie „zeigt“ der Zelle, welche Regionen der DNA sie nutzen kann und welche nicht. 

Die DNA Methylierung trägt also zur Genregulation%Verweis (= An- und Abschalten bestimmter Gene bei Bedarf) und damit auch zur Genexpression%Verweis bei. 

Ein Beispiel für einen markierten Bereich sind die sogenannten CpG-Inseln. Darunter verstehst du DNA Regionen, in denen häufig ein Cytosin und Guanin „Paar“ auftritt. Sie sind meist in Promotornähe lokalisiert. Darunter kannst du dir den Lesestartpunkt vorstellen, der die Transkription – also Umschreibung der genetischen Informationen der DNA in eine Transportform – einläutet. 

Liegen nun viele Cytosin-Basen auf einem Promotor methyliert vor, kann das zu einer Unterdrückung der Transkription führen. Das hat zur Folge, dass auch keine Proteinherstellung stattfinden kann. Die „Stummschaltung“ kommt daher, da sich spezielle Proteine an die methylierten Stellen haften. 

Ein weiteres Beispiel stellt das inaktive X-Chromosom bei Frauen dar. Da Frauen zwei X-Chromosomen besitzen und dadurch die „doppelte Menge“ an Genen besitzen (=höhere Gendosis), ist das zweite X-Chromosom methyliert und die Gene darauf quasi ausgeschaltet. 

 

%<img class="" src="https://analyticalscience.wiley.com/do/10.1002/gitfach.15881/full/i80096c7bac85220115d41e7fa9aa4128.jpg" alt="Die Bibliothek im Körper - 2017 - Wiley Analytical Science" width="495" height="377" />

%Genregulation durch Methylierung, alt Text: DNA Methylierung, Nukleosom, Histon, DNA, Cytosin, Adenin, transkription, Epigenetik, Genregulation, Genexpression

%Animation: Hier gerne so ähnlich animieren und auch darauf achten, dass die "Stoppschilder immer bei der Base Cytosin angebracht werden; die Genprodukte bitte auch mit animieren; die DNA gerne aufgewickelt um Histone darstellen, aber hier muss keine Beschriftung erfolgen

Genomische Prägung (Imprinting)

Die genomische Prägung ist ein Spezialfall der Genregulation und steht nicht im Einklang mit den Mendelschen Regeln%Verweis. Die Chromosomen der männlichen und weiblichen Keimzellen (Spermium und Eizelle) besitzen jeweils unterschiedliche „Methylierungsmuster“, die weitervererbt werden können. 

DNA Methylierung Bedeutung

Die DNA Methylierung kann bei der Entstehung bestimmter Krebsarten (z.B. Darmkrebs) von Bedeutung sein. In den Krebszellen werden beispielsweise „Krebs-Gene“(Onkogene), die für übermäßiges Zellwachstum sorgen, durch Demethylierung aktiviert. Gleichzeitig können Gene, die normalerweise die Entstehung von Krebs verhindern durch eine Methylierung stummgeschaltet werden. Diese Fehlregulierung kann dann gravierende Folgen für den Organismus hervorrufen. 

%Wenn du noch weitere epigenetische Veränderungen in unserem Erbgut kennenlernen willst, dann schaue doch gerne bei unserem Beitrag zur Epigenetik vorbei!

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