Kontext: Was ist Epigenetik?

15.10.2018 von Katrin Löwe in Wissenschaft, Forschung
Sie ist einer der aufstrebenden Forschungszweige der Biologie: die Epigenetik. Ihre Erkenntnisse sollen helfen zu verstehen, wie Informationen auch außerhalb der DNA im Laufe des Lebens von Zelle zu Zelle weitergegeben oder zum Teil von Generation zu Generation vererbt werden können. Was es mit epigenetischen Veränderungen auf sich hat und welche Folgen Umwelteinflüsse darauf haben können, erläutert der Bioinformatiker Prof. Dr. Ivo Große.
In der NASA Twins Study werden die Epigenome der Zwillinge Mark und Scott Kelly untersucht.
In der NASA Twins Study werden die Epigenome der Zwillinge Mark und Scott Kelly untersucht. (Foto: NASA/Robert Markowitz)

Seit den berühmten Experimenten von Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty im Jahr 1944 sowie von Alfred Hershey und Martha Chase im Jahr 1952 ist bekannt, dass nicht Proteine die Erbinformationen tragen, sondern die DNA. Lange ist man davon ausgegangen, dass nur die Informationen auf der DNA im Laufe der Individualentwicklung oder im Zuge der Fortpflanzung an die Kinder weitergegeben werden können. Inzwischen ist jedoch bekannt, dass es weitere so genannte epigenetische Informationen gibt, die von Mutter- zu Tochterzellen und partiell auch von Generation zu Generation übertragen werden können. Epigenetische Veränderungen sind wesentlich dynamischer als Mutationen der DNA, die sich durch Umwelteinflüsse nur vergleichsweise wenig verändern lässt.

Heute sind verschiedene epigenetische Mechanismen bekannt: Am besten untersucht ist die DNA-Methylierung. Hier wird unter bestimmten Voraussetzungen eine Methylgruppe an eine der vier Basen der DNA angehängt oder von ihr abgekoppelt. Dabei entstehen so genannte Methylierungsmuster, die beeinflussen, welche Bereiche der DNA für so genannte Transkriptionsfaktoren zugänglich sind und wie stark dadurch Gene aktiviert oder deaktiviert werden können.

Ein weiterer Mechanismus ist die Histonmodifikation. Die DNA ist an Proteine, die so genannten Histone, und deren Proteinkomplexe gebunden. Auch sie tragen Informationen, die von Mutter- auf Tochterzellen und zum Teil auch von Generation zu Generation übertragen werden können. Bei der Histonmodifikation werden kleine chemische Moleküle an bestimmte Stellen der Proteine an- oder von ihnen abgeheftet. Der molekularbiologische Prozess ist zwar verschieden von der DNA-Methylierung, aber der Effekt ist ebenfalls, dass die Aktivierung und Deaktivierung der Gene beeinflusst wird.

Zu wichtigen epigenetischen Mechanismen zählt man weiterhin die Konzentration so genannter nicht-kodierender RNAs, die ebenfalls die Genaktivität und die Konzentration der Boten-RNAs beeinflussen.

Im Genom des Menschen gibt es rund 30 Millionen Stellen, die methyliert oder nicht methyliert sein können. So kann eine große Menge an Informationen im Methylierungsmuster einer jeden einzelnen Zelle abgespeichert werden. Darüber hinaus steckt eine riesige Menge an weiteren Informationen in den Mustern der Histonmodifikationen oder der RNA-Konzentrationen. Bioinformatiker entwickeln Algorithmen, um all diese Informationen auszuwerten – mit dem langfristigen Ziel, besser als bisher zu verstehen, wie sich diese epigenetischen Muster im Zuge der Individualentwicklung und des Alterns zeitlich als auch räumlich von Zelltyp zu Zelltyp sowie durch verschiedenste Krankheiten verändern.

Im Prinzip verändern alle Umwelteinflüsse das Epigenom. Chemische und physikalische Prozesse inklusive Licht- und Wärmestrahlung, Lärm oder Luftverschmutzung gehören dazu, aber auch biologische, psychische und soziale Faktoren wie Ernährung, Lebenswandel oder Stress und nicht zuletzt Krankheiten, Allergien oder Vergiftungen. Die Ernährung im Kindes- oder Säuglingsalter hat zum Beispiel einen Einfluss darauf, ob das Kind später tendenziell dick oder dünn wird. Und auch die Essgewohnheit der Mutter während der Schwangerschaft kann das Epigenom beeinflussen.

Inzwischen gibt es im Bereich der Epigenetik viele hochinteressante Studien. Ob aus einer Bienenlarve später eine Arbeitsbiene oder eine Königin wird, entscheidet etwa die Fütterung der Larven, die deren Epigenome verändert und dadurch zum An- und Abschalten verschiedener Gene führt. Um den Einfluss von Umwelteinflüssen auf das Epigenom des Menschen besser zu verstehen, werden aktuell im Rahmen der „NASA Twins Study“ auch die Epigenome der Zwillinge Mark und Scott Kelly untersucht. Während einer der Zwillinge fast ein Jahr auf der Internationalen Raumstation ISS verbrachte, lebte der andere auf der Erde. So waren die Zwillinge verschiedenen Umwelteinflüssen, zum Beispiel der Schwerkraft, der Strahlung oder anderen Stressfaktoren ausgesetzt.

Auch in der Medizin interessiert uns Menschen natürlich, wie sich das Epigenom in der Entwicklung der Individuen verändert. Bis heute wurden viele Krankheiten entdeckt, die mit epigenetischen Veränderungen korrelieren, zum Beispiel verschiedenste Tumorarten oder Autoimmunkrankheiten. Hier kann die Epigenetik erstens dabei helfen, molekular aufzuklären, wie Krankheiten entstehen. Sie kann zweitens die Diagnose von Krankheiten etwa durch die Entdeckung epigenetischer Tumormarker verbessern. Und sie kann drittens neue Therapiemöglichkeiten eröffnen. Hier jedoch steht die Menschheit erst am Anfang, weil in vielen Fällen noch nicht klar ist, ob eine epigenetische Veränderung die Ursache der Erkrankung ist oder deren Folge. Es gibt aber erste vielversprechende Ansätze: Bereits 2009 wurde in Deutschland ein epigenetisches Arzneimittel gegen Leukämie zugelassen, das die DNA-Methylierung modifiziert.

Von Bedeutung ist die Epigenetik auch in Pflanzen. In Halle wird unter anderem gerade erforscht, ob auf epigenetischer Ebene ökologisch angebaute Pflanzen von nicht ökologisch angebauten unterschieden werden können. Das ist vor allem interessant, weil weltweit deutlich mehr Bio-Produkte auf dem Markt sind als produziert werden können. Unterschiede im Erbgut oder auf chemischer Ebene wurden bisher jedoch nicht gefunden, und so untersuchen wir in Halle, ob sich die DNA-Methylierungsmuster in ökologisch und nicht ökologisch angebauten Soja- und Kartoffelpflanzen unterscheiden.

Der Text stammt aus der Print-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "scientia halensis" und steht in der Rubrik „Kontext“. Darin setzen sich Wissenschaftler der Martin- Luther-Universität mit einem aktuellen Thema aus ihrem Fach auseinander, erklären die Hintergründe und ordnen es in einen größeren Zusammenhang ein.

Zur Person

Ivo Große
Ivo Große
(Foto: Maike Glöckner)

Prof. Dr. Ivo Große ist seit 2007 Professor für Bioinformatik am Institut für Informatik der Universität Halle, von 2003 bis 2007 war er Gruppenleiter am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Große ist auch mit Forschungen der Epigenetik befasst, aktuell etwa über ein europaweites Doktorandennetzwerk mit dem Namen „Epidiverse“, das die Anpassung von Pflanzen an Umweltbedingungen untersucht.

Kontakt:
Prof. Dr. Ivo Große
Institut für Informatik
Telefon: +49 345 55-24774
E-Mail: ivo.grosse@informatik.uni-halle.de

 

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