Epigenetik: Gene haben ein Gedächtnis

     

Auf 20 000 Gene kann eine menschliche Zelle zugreifen - doch den Großteil schaltet sie ab. Wie funktioniert das, und welche Konsequenzen hat das An- und Abschalten der Gene? Antworten liefert die Epigenetik.

Die DNA ist nicht unveränderlich: Ständig werden kleine Moleküle an die Buchstaben des Erbguts angehängt und wieder entfernt. Proteine falten den DNA-Strang zusammen oder entwirren 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).

Epigenetik

Schalter im Genom: Die Sequenz bleibt unverändert, aber das Gen wird abgeschaltet.

Die Epigenetik erklärt, wie identische Erbinformationen dazu beitragen, dass unterschiedliche Zellen entstehen - oder gar ganze 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 Identität bestimmt. Es ist eine Art Gedächtnis für Gene und bestimmt, welche verwendet und welche abgeschaltet werden.

Gene mit epigenetischen Markierungen

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 in einer einzelnen Zelle.

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.

Wechselspiel von Genom und Umwelt

Die Epigenetik rührt an die Grundfragen der Biologie: Wie entwickeln sich Lebewesen? Wie arbeiten Zellen in einem komplexen Organismus zusammen? In beiden Fällen reicht es nicht, den grundlegenden Bauplan - das Genom - blind umzusetzen. Erforderlich ist stattdessen ein 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.

Epigenetische Veränderungen finden sich auch 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 Deans und Maggert, What do you mean,“epigenetic”?, Genetics 2015 (link)
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)

Epigenetik

Schalter im Genom: DNA wird markiert, indem kleine Moleküle angehängt werden. Die Sequenz bleibt unverändert, aber das Gen wird abgeschaltet.

Definition der Epigenetik

Die Erforschung von Phänomenen und Mechanismen, die erbliche Veränderungen an den Chromosomen hervorrufen und die Aktivität von Genen beeinflussen, ohne die Sequenz der DNA zu verändern6.

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Kurz und knapp 

  • 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