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.
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
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.
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.
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.
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.
Quelle: Redaktion SimplyScience.ch
