- Über 20 000 Gene hat das menschliche Genom - doch der Großteil liegt brach. Eine einzelne Körperzelle benötigt kaum die Hälfte des Genoms, um ihre Funktion zu erfüllen. Damit stellt sich die Frage: Welcher Mechanismus steuert das An- und Abschalten der Gene? Die Antwort darauf soll die Epigenetik liefern.
-
Epigenetik
Ein Mechanismus der Epigenetik: DNA wird markiert, indem kleine Moleküle angehängt werden. Die Sequenz bleibt unverändert, aber das das Gen wird abgeschaltet.
- Die DNA ist nicht so unveränderlich, wie man lange dachte. Ständig werden kleine Moleküle an die DNA-Basen angehängt und wieder entfernt. Proteine knüllen den DNA-Strang zusammen oder entfalten ihn wieder. RNA-Moleküle binden an die DNA und verdecken die Erbinformation. All diese Mechanismen schaffen eine neue Informationsebene auf dem Genom - das Epigenom (epi: griech. auf).
- Die Epigenetik erklärt damit, wie identische Erbinformationen unterschiedliche Zellen erzeugen - oder gar Lebewesen. Aus einer menschlichen Stammzelle entstehen mehr als 200 verschiedene Gewebe. Eine Bienenlarve wird entweder Arbeiterin oder Königin. In beiden Fällen ist es das Epigenom, das die Richtung vorgibt. Es ist eine Art Gedächtnis für Gene und bestimmt, welche verwendet und welche abgeschaltet werden.
- Eine Muskelzelle benutzt daher nur die Gene, die für ihre Arbeit wichtig sind. Eine Hautzelle wiederum benutzt einen ganz anderen Satz von Genen. Und das gleiche gilt für die Zellen von Herz, Niere, Hirn und allen anderen Organen. So sind alle 20 000 menschlichen Gene ständig im Gebrauch - aber niemals von einer einzelnen Zelle.
-
Definition der Epigenetik
Die Erforschung von mitotisch oder meiotisch vererbbaren Änderungen der Genfunktion, die nicht durch ein Veränderung der DNA-Sequenz erklärt werden können1.
-
Mehr zu diesem Thema
-
Die Epigenetik soll die Evolutionstheorie von Lamarck bestätigen - doch das stimmt nur bedingt. (Bild: Valerie75)
-
In Kürze
- Epigenetik untersucht die Mechanismen, welche die Aktivität von Genen steuern
- epigenetische Markierungen werden bei der Zell-Teilung weitergegeben
- sie bilden quasi ein Gedächtnis für vergangene Ereignisse
- die Mechanismen der Epigenetik regulieren die Aktivität von Genen, ohne die Basensequenz der DNA zu ändern
- sie ermöglichen die Entwicklung multizellulärer Organismen
- Wie wird die Information im Epigenom gespeichert? Ein Mechanismus ist die DNA-Methylierung. Dabei werden kleine Moleküle an die DNA-Basen angehängt, ohne dass die Abfolge der Basen - den Buchstaben des Genoms - verändert wird. Gene können so markiert und abgeschaltet werden. Diese Art der Markierung ist chemisch sehr stabil, kann aber auch wieder durch Enzyme entfernt werden. Das Epigenom bleibt flexibel und kann jederzeit auf Veränderungen reagieren.
- DNA-Methylierungen werden von einer Zell-Generation auf die nächste übertragen. In der Leber etwa können daher immer nur Leberzellen entstehen - das Organ bleibt stabil und erfüllt verlässlich seine Aufgaben.
- Die Epigenetik geht somit Grundfragen der Biologie an: Wie entwickeln sich Lebewesen? Wie arbeiten Zellen in einem komplexen Organismus zusammen? In beiden Fällen reicht es nicht, den grundlegende Bauplan - das Genom - blind umzusetzen. Erforderlich ist stattdessen eine ständiges Wechselspiel von Genom und Umwelt - so wie sich die Körperzelle in ihr Gewebe eingliedert, muss sich auch der Organismus auf seinen Lebensraum einstellen.
- Das Epigenom kann jedoch auch die Entstehung von Krankheiten steuern. Und so hofft die Medizin, von den Erkenntnissen der Epigenetik zu profitieren. Viele Krankheiten - vermutlich sogar die meisten - entwickeln sich in einem Wechselspiel von Genom und Umwelt2. So finden sich bei epigenetische Veränderungen in fast allen Tumoren, und erste Studien deuten an, dass sie sogar an deren Entstehung beteiligt sind. Erste Medikamente, die am Epigenom der Krebszellen angreifen, werden seit einigen Jahren bei manchen Blutkrebs-Arten eingesetzt3.
- Das Genom codiert alle Möglichkeiten, die einer Zelle offen stehen. Doch die Analyse der DNA-Sequenz allein kann nicht alle Fragen beantworten - das Verständnis der Epigenetik wird entscheidend sein. Denn es ist das Epigenom, welche die Möglichkeiten zur Wirklichkeit werden lässt.
-
1 Russo, Martienssen und Riggs, Epigenetic Mechanisms of Gene Regulation, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 1996
2 S. Johnstone, Stress and the epigenetic landscape: a link to the pathobiology of human diseases?, Nature Review Genetics 2010, vol. 11, pp. 806-12 (link)
3 J. Kaiser, Epigenetic Drugs Take On Cancer, Science 2010, vol. 330, pp. 376-8 (link)