Epigenetik

Was ist Epigenetik? 

Die Epigenetik beschreibt, wie sich Gene an die Umwelt anpassen können. Die Gene einer Zelle werden dann an- oder abgeschaltet, je nachdem, was die Situation verlangt.

Dabei bestimmen sogenannte chemische Markierungen, welche Gene aktiv und welche inaktiv sind. Das geschieht vor allem durch zwei Vorgänge:

• DNA-Methylierung: Kleine Moleküle heften sich direkt an die DNA und schalten bestimmte Gene ab.
• Histon-Modifikationen: Die DNA ist im Zellkern um Proteine (Histone) gewickelt. Durch Änderung dieser Wicklung können Gene leichter oder schwerer lesbar sein.

Die Gesamtheit aller chemischen Markierungen im Chromatin einer Zelle nennst du das Epigenom.

Epigenetische Veränderungen lassen im Gegensatz zu Mutationen die DNA-Sequenz unberührt und verändern sie nicht. Die Veränderungen können aber über viele Zellteilungen hinweg stabil bleiben und wirken so wie ein Gedächtnis der Genaktivität.

Wie prägen Umwelteinflüsse unsere Gene?

Äußere Einflüsse können die epigenetischen Markierungen verändern und somit Gene an- und ausschalten. Bestimmte Umweltfaktoren senden dabei Signale und wirken auf die Zelle ein. Dazu gehören:

• Ernährung
• Stress
• Hormone
• Infektionen
• Schadstoffe

Über biochemische Signalwege erreichen diese Signale dann Enzyme, die epigenetische Markierungen setzen oder entfernen. So werden die Gene aktiviert bzw. deaktiviert.

Die Zelle passt also ihr Genprogramm an die veränderten Bedingungen an, um flexibel auf ihre Umwelt zu reagieren. Die DNA-Sequenz bleibt dabei unberührt.

Epigenetische Veränderungen durch Umwelteinflüsse sind dadurch meistens umkehrbar. Ändert sich das Signal, können Enzyme die Markierungen auch wieder entfernen bzw. wieder setzen.

Übrigens: Die Stärke und Dauer solcher Veränderungen können sich deutlich unterscheiden. Ein kurzes Stressereignis führt oft nur zu vorübergehenden epigenetischen Anpassungen, die schnell wieder zurückgesetzt werden. Dauerhafter Stress oder eine jahrelange mangelhafte Ernährung können hingegen zu anhaltenden epigenetischen Schaltern führen, die sogar an Nachkommen weitervererbt werden können.

Was ist die DNA-Methylierung?

Ein wichtiger Mechanismus der Epigenetik ist die DNA-Methylierung. Dabei hängt eine Zelle kleine chemische Gruppen (Methylgruppen) direkt an einen Baustein der DNA innerhalb eines Promotors. Ein Promotor ist dabei die Startregion eines Gens. Er bestimmt, wann und wie stark das Gen aktiv ist. Dabei geschieht Folgendes:

• Die Methylgruppe blockiert Proteine, die das Gen normalerweise aktivieren würden.
• Die DNA in diesem Bereich zieht sich enger zusammen und wird schwerer zugänglich.
• Das Gen wird nicht mehr abgelesen, also ausgeschaltet.

Was sind Histon-Modifikationen?

Ein weiterer Mechanismus der Epigenetik sind die sogenannten Histon-Modifikationen. Histone sind die Eiweiße, um die sich die DNA aufwickelt. Zusammen bilden sie das Chromatin. Dieses Chromatin kann unterschiedlich eng gewickelt (gepackt) sein. Und genau das entscheidet, ob ein Gen abgelesen werden kann oder nicht:

• Locker gepacktes Chromatin: Die DNA ist gut zugänglich. Gene in diesem Bereich werden leichter abgelesen.
• Dicht gepacktes Chromatin: Die DNA liegt eng zusammen. Gene in diesem Bereich werden schwerer oder gar nicht abgelesen.

Zellen steuern diese Packungsdichte über chemische Markierungen an den Histonen. 

Übrigens: Außerdem können Histone noch auf weitere Arten modifiziert werden, nämlich durch Methylierung, Phosphorylierung oder Ubiquitinierung.

Wie geben Zellen die epigenetischen Markierungen weiter?

Wenn eine Zelle ihre DNA verdoppelt, entsteht zunächst eine neue DNA-Kopie ohne Methylierungsmuster. Spezielle Enzyme erkennen das und fügen die fehlenden Methylgruppen gezielt nach. Die Tochterzelle erhält so dasselbe Muster wie die Mutterzelle.

Es gibt jedoch eine wichtige Ausnahme: In den Keimzellen, also in Eizellen und Spermien, werden viele epigenetische Markierungen weitgehend zurückgesetzt. Dasselbe passiert kurz nach der Befruchtung noch einmal. Dieser Reset ist notwendig, damit die Entwicklung eines neuen Organismus von vorne beginnen kann. Die Zellen des Embryos sollen nicht das Epigenom der Elternzellen erben, sondern ein neues, passendes Aktivitätsmuster aufbauen.

Welche Rolle spielt die Epigenetik bei Krankheiten?

Das Epigenom reagiert auf Signale, verändert sich und bleibt über Zellteilungen stabil. Genau diese Eigenschaften machen es auch anfällig für Fehlsteuerung von Genen oder Krankheiten.

Besonders gut erforscht ist die Rolle der Epigenetik bei Krebs. Die Methylierung an einem Promotor kann ein Gen abschalten. Bei Krebszellen geschieht das häufig an Tumorsuppressor-Genen. Diese Gene sind dafür zuständig, das unkontrollierte Wachstum der Tumore zu verhindern. Werden ihre Promotoren durch übermäßige Methylierung blockiert, fallen sie aus und die Zelle wächst weiter. Da die DNA-Sequenz des Gens dabei intakt bleibt, ist das kein genetischer Defekt, sondern ein epigenetischer Defekt.

Die Epigenetik hat aber auch positive Bedeutungen für die Medizin:

• Diagnostik: Bestimmte epigenetische Muster lassen sich als Hinweis auf Erkrankungen nutzen. Sie helfen dabei, Krankheiten früher oder genauer zu erkennen.
• Therapie: Es gibt Medikamente, die gezielt auf Enzyme wirken, welche epigenetische Markierungen setzen oder entfernen. So lassen sich fehlerhafte Muster im Epigenom korrigieren.

Genetik

Die Epigenetik zeigt, wie die Aktivität unserer Gene beeinflusst werden kann. Doch was sind Gene eigentlich und wie funktioniert unsere Erbinformation? Alles über die Genetik findest du in unserem Beitrag!