Epigenetik

Die Epigenetik ist ein Spezialgebiet der Biologie und befasst sich mit Zelleigenschaften (Phänotyp), die auf Tochterzellen vererbt werden und nicht in der DNA-Sequenz (Genotyp) festgelegt sind. Dabei erfolgen Veränderungen an den Chromosomen, wodurch Abschnitte oder ganze Chromosomen in ihrer Aktivität beeinflusst werden. Man spricht infolgedessen auch besser von epigenetischer Veränderung bzw. epigenetischer Prägung, denn die DNA-Sequenz wird dabei nicht verändert. Bisher war man der Meinung, dass sich Keimzellen im Stadium der Befruchtung wie eine epigenetische tabula rasa verhalten, doch heute wird spekuliert, dass z.B. Veränderungen der Lebensweise (Ernährung, Bewegung, Ortswechsel) ein epigenetisches Muster bewirken könnten, das an die nächste Generation weitergegeben werden kann. Biologen haben in den letzten Jahren zahlreiche molekulare Mechanismen entdeckt, die zu einem stärkeren oder schwächeren Ablesen der Information in den Genen führen, ohne dass dabei die dort gespeicherte Information verändert wird.  Enzyme markieren bestimmte Abschnitte der DNA und beeinflussen so deren Aktivität, manchmal sogar lebenslang. Weil dieser Eingriff nicht die Nukleotidsequenz des DNA-Strangs betrifft, sondern sich oberhalb (griechisch: epi=über) von ihr abspielt, spricht man in diesem Fall von epigenetischen Modifikationen.

Der genetische Code programmiert Menschen also nicht unveränderbar für den Rest ihres Lebens, sondern die Gene des Genoms werden epigenetisch (Vorsilbe »epi« = hinterher, zusätzlich) reguliert, also an- und ausgeschaltet, je nachdem welchen Umwelteinflüssen wie Nahrung, Erfahrungen oder Gefühlen sie ausgesetzt sind. Dabei sind vor allem die ersten Lebensjahre entscheidend. Aber auch noch im Laufe des Lebens können Menschen das Zusammenspiel ihrer Gene und damit ihrer Möglichkeiten beeinflussen. Zwar wurden bisher die meisten Erfahrungen mit Tierversuchen gemacht, denn beim Menschen sind Studien nicht zuletzt wegen der langen Generationszeiten schwieriger, doch zeigen einige wenige Untersuchungen, dass viele dieser Faktoren auch bei Menschen zutreffen dürften.

Schon vorgeburtliche epigenetische Prozesse bestimmen vor allem die untere limbische Ebene von Hypothalamus, Hypophyse und den vegetativen Zentren des Gehirns, wobei diese die psychische Grundausstattung eines Neugeborenen und damit sein Temperament als Kern seiner späteren Persönlichkeit festlegen.

Die Schalter an unseren Genen sind daher viel wichtiger, als man früher glaubte, denn die menschlichen Zellen nutzen diese Schalter, um rasch auf Stressfaktoren wie Hunger, Gifte, psychische Belastungen zu reagieren, wobei jene Gene aktiviert werden, die in einer solchen Situation nützlich sind, und überflüssige Genabschnitte werden stillgelegt. Das An- und Abschalten von Genen kann aber auch  Krankheiten auslösen, denn es kann dazu führen, dass sich Zellen ungebremst vermehren und Krebs entsteht.

Neuere Ergebnisse aus der epigenetischen Forschung weisen z.B. auch darauf hin, dass etwa die Ernährungsweise einer Generation das Erkrankungsrisiko der Enkel für Diabetes beeinflussen kann. Auch brauchen Zwillinge bei unterschiedlichen Lebensbedingungen nicht die gleichen genetisch bedingten Krankheiten erleiden. Diese an den Lamarckismus erinnernde Vererbung erworbener Eigenschaften hat aber eine andere Erklärung, denn epigenetische Vererbungseffekte betreffen nicht die eigentliche Erbinformation, sondern nur die Aktivierung der Gene. Man nimmt an, dass dafür subtile chemische Veränderungen am Genom verantwortlich sind, die jedoch nicht die DNA-Sequenz betreffen. Diese Veränderungen bauen gewissermaßen ein Gedächtnis der Genaktivität auf, die von einer Zellgeneration an die nächste weitergegeben wird.

Experimente mit Mäusen haben aber gezeigt, dass negative Erfahrungen über Generationen weiter vererbt werden. Die Forscher zeigten das am Beispiel von Gerüchen, die Gefahr signalisieren, wobei noch die Enkelkinder auf einen bestimmten Geruch mit Angst reagierten, wenn ihre Großväter damit schlechte Erfahrungen gemacht hatten, sodass die Mäuse auf genetische Weise ihren Nachwuchs über die Umwelt informieren können, in der sie aufwachsen werden. Die Forscher stellten fest, dass ein Gen zur Erkennung von Düften bei den Großvätern und ihren Kindern deutlich weniger methyliert war als üblich. Auf welchem Weg die Informationen an das Sperma weitergegeben und verschlüsselt werden, ist aber ungeklärt. Epigenetische Veränderungen. Eine Studie (Radford et al., 2014) an schwangeren Mäusen bestätigte, dass es auch ein Gedächtnis der mütterlichen Ernährung gibt, den man hat diese nur mit halben Futterportionen gefüttert, wobei ihre Söhne erwartungsgemäß kleiner waren und Diabetes entwickelten, wenn sie später normale Futtermengen erhielten. Doch auch die Nachkommen dieser Söhne waren klein und wurden öfter zuckerkrank, auch wenn deren Mütter normal ernährt worden waren. Dafür sind offensichtlich epigenetische Veränderungen verantwortlich, wobei das evolutionär gesehen sinnvoll erscheint, denn wenn Futter knapp ist, können Nachkommen darauf programmiert werden, mit wenig Nahrung auszukommen. Mit plötzlichem Nahrungsreichtum können ihre Körper dann nicht umgehen, und sie entwickeln eben Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes. Überraschenderweise waren die Veränderungen im Erbgut der Enkel nicht mehr zu finden, d. h., die Erinnerung an die Unterernährung der Großmutter wurde ausgelöscht oder jedenfalls nicht mehr über die veränderte DNA weiter gegeben. Auch das ist evolutionär sinnvoll, denn die Umwelt verändert sich stetig und auf karge Zeiten folgen manchmal fette Zeiten.

Neuere Untersuchungen zeigten, dass der Lebensstil der Eltern Spuren im Erbgut der Kinder hinterlässt, wobei insbesondere bei Adipositas und Diabetes Epigenetik vermutlich eine Rolle spielt. Interessanterweise schlägt auch das Essverhalten des Vaters vor der Zeugung und der Lebenswandel der Eltern insgesamt auf den Nachwuchs durch, denn Kinder von Rauchervätern haben eher Asthma. Eine Untersuchung der norwegischen Universität in Bergenwies zeigte nämlich, dass Kinder von Ex-Rauchern ein erheblich höheres Asthmarisiko haben, selbst wenn die Väter lange vor der Zeugung mit dem Laster aufhörten. Wer vor der Zeugung über zehn Jahre rauchte, erhöhte demnach das Asthmarisiko seiner Kinder um fünfzig Prozent. Allerdings gilt auch der Umkehrschluss, denn guter Lebenswandel kann sich noch Generationen später auswirken. Denn epigenetische Vererbung ist anders als genetische Vererbung prinzipiell reversibel, sodass die Häufigkeit von Fettleibigkeit und Diabetes bei entsprechendem Lebenswandel über Generationen hin wieder abnehmen kann.

Versuche (Swartz et al., 2016) zeigen übrigens, dass Kinder, die in armen Verhältnissen aufgewachsen sind, eine verstärkte Methylierung jenes Gens zeigen, das für den Serotonin-Transport verantwortlich ist. In diesem Fall führt die Anheftung von Methylgruppen dazu, dass weniger Transportzellen gebildet werden und die Gehirnzellen weniger Serotonin erhalten. Dabei wird etwa das Angstzentrum bei Kindern aus armen Haushalten stärker als bei wohlhabenden Kindern aktiviert, was im Erwachsenenalter Depressionen begünstigen kann. Armut kann sich demnach direkt im Gehirn von Kindern bemerkbar machen, wobei vermutlich kontinuierlicher Stress manche Genabschnitte beeinflusst, die ihrerseits wiederum psychische Erkrankungen begünstigen können.

Zwar ändern sich durch das Rauchen oder durch fette und ungesunde Ernährung vermutlich nicht die Gene selbst, aber die Wirkweise und Regulation bestimmter Gensequenzen werden beeinflusst und diese epigenetischen Faktoren sind ebenfalls erblich.  Es gibt nach Ansicht von Experten daher keine Zweifel, dass es von Generation zu Generation eine Weitervererbung der Gen-Regulationsbandbreite gibt.

Der Begriff der Epigenetik taucht in der Literatur erstmals Mitte des 19. Jahrhunderts auf, seine Ursprünge gehen allerdings schon auf Aristoteles zurück, denn dieser glaubte an die Epigenes, also die Entwicklung individueller organischer Formen aus formloser Substanz. Auch heute ist es strittig, inwieweit Menschen von der Natur vorprogrammiert oder aber von der Umwelt geprägt sind, wobei der Epigenetik die Aufgabe zukommt, das Spannungsfeld zwischen genetischer Anlage und Umwelt zu überbrücken.

Fachliche Definition
Der Begriff Epigenetik definiert alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst kodiert sind. Die Epigenetik befasst sich mit Zelleigenschaften (Phänotyp), die auf Tochterzellen vererbt werden und nicht in der DNA-Sequenz (dem Genotyp) festgelegt sind.Die DNA-Sequenz wird dabei nicht verändert.

Literatur
Elizabeth J. Radford, Mitsuteru Ito, Hui Shi, Jennifer A. Corish, Kazuki Yamazawa, Elvira Isganaitis, Stefanie Seisenberger, Timothy A. Hore, Wolf Reik, Serap Erkek, Antoine H. F. M. Peters, Mary-Elizabeth Patti, & Anne C. Ferguson-Smith (2014). In utero undernourishment perturbs the adult sperm methylome and intergenerational metabolism. Science. DOI:10.1126/science.1255903.
Swartz, J. R., Hariri, A. R. & Williamson, D. E. (2016). An epigenetic mechanism links socioeconomic status to changes in depression-related brain function in high-risk adolescents. Molecular Psychiatry, doi.org/10.1038/mp.2016.82.



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