Epigenetik

Grundidee der Epigenetik

Epigenetik ist ein Teilgebiet der Biologie. Sie untersucht zelluläre Prozesse, die beeinflussen, ob Gene aktiv sind oder nicht. Gemeint sind Veränderungen der Genfunktion und der Genexpression, also des Umschreibens von DNA in RNA für Proteine, die nicht auf einer Veränderung der DNA-Sequenz durch Mutation oder Rekombination beruhen. Dennoch können sie bei Zellteilungen an Tochterzellen weitergegeben werden.

Epigenetische Muster beruhen vor allem auf biochemischen Veränderungen an der DNA oder an Chromatinproteinen. Chromatin ist die Verpackungsform der DNA im Zellkern. Solche Veränderungen können die Transkription bestimmter Gene erleichtern, erschweren, erlauben oder verhindern. Die DNA-Basensequenz und damit der Genotyp bleiben unverändert; die Auswirkungen können aber im Phänotyp, also in beobachtbaren Merkmalen und Zellfunktionen, sichtbar werden.

Eine heutige Definition beschreibt Epigenetik als „alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst codiert sind“. Andere Definitionen, etwa von Adrian Peter Bird, betonen die strukturelle Anpassung chromosomaler Regionen, die Aktivierungszustände kodiert, signalisiert oder erhält. Eine allgemein akzeptierte Definition besteht laut Artikel nicht.

Zellreifung und genetische Grundlage

Nach der Befruchtung teilt sich die Eizelle. Bis zum 8-Zell-Stadium sind alle Tochterzellen totipotent: Jede kann allein einen vollständigen Organismus hervorbringen. Danach unterscheiden sich die inneren Programme der Zellen; ihr Entwicklungspotenzial wird zunehmend eingeschränkt. Im fertig ausgebildeten Körper sind die meisten Körperzellen auf ihre Aufgabe festgelegt. Adulte Stammzellen behalten dagegen eine gewisse Flexibilität.

Diese Spezialisierung geschieht normalerweise ohne Änderung der DNA-Sequenz. Epigenetische Mechanismen legen bestimmte Genbereiche still und machen andere leichter ablesbar. Die wichtigsten genannten Veränderungen sind die Methylierung von Cytidin-Basen an CpG-Dinukleotiden, also Cytosin-Guanosin-Dimeren, sowie Methylierung und Acetylierung von Histonen. Körper-, Stamm-, Keim- und Krebszellen besitzen unterschiedliche, bei Krebszellen meist spezifische Modifikationsmuster.

Die genetische Information selbst ist in der Reihenfolge der Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) der DNA gespeichert. A paart sich mit T, C mit G. Epigenetik hilft zu erklären, warum Zellen mit gleichem Erbgut verschiedene Funktionen annehmen, warum manche Eigenschaften nur maternal oder paternal auftreten können und warum bei der Klonierung, zum Beispiel von Dolly, epigenetische Festlegungen aufgehoben werden müssen.

Auch Telomere haben epigenetische Bedeutung. Sie schützen Chromosomenenden bei Zellteilungen; die Telomerase trägt zum Erhalt intakter Chromosomen bei. Psychische Belastung kann ihre Aktivität verringern und dadurch eine schnellere Telomerverkürzung im Alterungsprozess begünstigen.

Histone und Genaktivität

DNA liegt nicht frei im Zellkern, sondern ist um Histone gewickelt. Ein Nukleosom besitzt einen Kern aus jeweils zwei Molekülen der Histone H2A, H2B, H3 und H4. Auf ihn sind 146 Basenpaare DNA aufgespult; im Artikel wird außerdem beschrieben, dass die DNA etwa 1,7 Umdrehungen macht. An DNA zwischen zwei Nukleosomen bindet Histon H1.

Die aus dem Nukleosom herausragenden Histonenden können durch Enzyme verändert werden. Bekannt sind besonders Methylierungen und Acetylierungen an Lysin, Histidin oder Arginin sowie Phosphorylierungen an Serin. Auch die Zahl der Methylgruppen an einer Lysin-Seitenkette – eine, zwei oder drei – ist bedeutsam. Die Kombinationen dieser Veränderungen werden als möglicher „Histon-Code“ verstanden, der mit der Aktivität gebundener Gene zusammenhängt.

Eine offene Chromatinstruktur macht Gene für die RNA-Polymerase und damit für die Transkription zugänglich. Kleinere Volumina, geschlossene Konformation und Chromosomenkondensierung stehen dagegen mit Geninaktivität in Verbindung. Acetylgruppen an Lysin-Seitenketten öffnen im Allgemeinen die Nukleosomenkonformation. Verstärkte Methylierung an Lysin kann dagegen methylbindende Proteine wie MeCB anheften; diese Repressorproteine schließen die Histonkonformation und unterdrücken die Genexpression.

Methoden und Epigenomik

DNA-Methylierungsmuster lassen sich mit Restriktionsenzymen untersuchen, die an bestimmten DNA-Sequenzen schneiden und methylierte von nicht methylierten Stellen unterscheiden. Beim Menschen liegen DNA-Methylierungen laut Artikel ausschließlich an CpG-Stellen. Im „HpaII-based cytosine extension assay“ schneiden HpaII und MspI beide bei der palindromischen Sequenz CCGG. HpaII schneidet nur bei fehlender Methylierung, MspI unabhängig davon. Nach HpaII-Behandlung werden nicht methylierte Stellen mithilfe von radioaktiv markiertem [³H]CTP nachweisbar. Tryndiak und Mitarbeiter zeigten 2006 damit bei Zellen auf dem Weg zum Mammakarzinom einen fortschreitenden globalen Verlust an DNA-Methylierung.

Bei der Bisulfit-Sequenzierung wird DNA mit Natriumhydrogensulfit behandelt. Nicht methyliertes Cytosin wird zu Uracil und erscheint nach PCR und Sequenzierung als Thymin; methyliertes Cytosin in CG-Dimeren wird nicht umgewandelt. Damit lässt sich für einzelne CG-Dimere bestimmen, ob sie gar nicht, vollständig oder teilweise methyliert waren. Pyrosequencing erlaubt genauere quantitative Aussagen, etwa zum Zusammenhang zwischen Methylierungsgrad bestimmter CG-Inseln von Tumor-Suppressorproteinen und dem Schweregrad mancher Tumoren des hämatopoetischen Systems.

Die Chromatin-Immunpräzipitation prüft, ob ein Protein an einem DNA-Abschnitt gebunden ist. Formaldehyd verknüpft Protein und DNA, Ultraschall zerlegt die DNA in 50 bis 1000 Basenpaare lange Fragmente, und ein Antikörper isoliert das gewünschte Protein mit gebundener DNA. Nach dem Lösen der Bindung werden DNA-Fragmente mittels genspezifischer PCR oder genomweiter NGS identifiziert. RNA-Polymerase an einem Gen weist auf Transkription hin; ein meCG-bindendes Protein (MeCP) auf stillgelegte Transkription. Beim Electrophoretic Mobility Shift Assay werden unterschiedliche DNA-Moleküle anhand ihres Laufverhaltens in der Gelelektrophorese unterschieden.

Epigenomik untersucht möglichst vollständig alle epigenetischen Modifikationen einer Zelle; ihre Gesamtheit heißt Epigenom. Wichtige Teil-Epigenome sind das Methylom, also der Gesamtzustand der DNA-Methylierung, und der Histon-Code. Hochdurchsatzverfahren ermöglichen die großangelegte Untersuchung, beispielsweise Bisulfit-Sequenzierung für Methylome und ChIP-Seq für Histon-DNA-Wechselwirkungen. Das Human Epigenome Project wurde 1999 initiiert.

Veränderungen im Leben und zwischen Generationen

Epigenetische Veränderungen treten nicht nur bei Vererbung auf, sondern können sich im Lebenslauf ansammeln. Bei 80 eineiigen Zwillingen stimmten epigenetische Muster im Alter von drei Jahren noch stark überein. Im Alter von 50 Jahren waren sie bei wenig gemeinsam verbrachter Lebenszeit und/oder unterschiedlicher medizinisch-gesundheitlicher Geschichte deutlich verschiedener; der Methylierungsgrad eines Zwillings konnte bis zu zweieinhalbmal so hoch sein wie der des anderen. Als Gründe nennt der Artikel Umwelt- und Lebenserfahrungen sowie Ungenauigkeiten bei der Übertragung von Methylgruppenmustern während Zellteilungen.

Bei Arbeiterbienen führt die Umstellung der Larvennahrung von der Kost einer Königin auf Pollen und Honig zu einer starken epigenetischen Umprogrammierung. Mehr als 500 Gene waren von umweltspezifisch verursachten Methylierungsänderungen betroffen. Die Folgen umfassen nicht nur die Aktivierung oder Inaktivierung von Genen, sondern auch alternatives Splicing und veränderte Genprodukte.

Die direkte Weitergabe umweltbedingt erworbener Eigenschaften an Folgegenerationen wird als „epigenetische Vererbung“ diskutiert. Der entsprechende Artikelabschnitt ist als nicht hinreichend belegt gekennzeichnet. Er nennt vor allem Tierversuche und beschreibt die Übertragbarkeit auf Menschen als kontrovers; die Mechanismen seien noch unklar. Epigenetische Markierungen würden bei Pflanzen stabil vererbt, bei Säugetieren jedoch nicht dauerhaft und verschwänden nach einigen Generationen. Deshalb soll dies nicht mit Lamarckismus gleichgesetzt werden.

Die „verborgene Erblichkeit“ oder missing heritability bezeichnet, dass DNA-Abweichungen in genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) oft nur einen kleinen Teil der erwarteten Erblichkeit von Krankheiten erklären. Epigenetische Prozesse gelten im Artikel als mögliche Erklärung. Ihre Untersuchung ist schwierig, weil solche Einstellungen im Leben einer Zelle oder eines Organismus und über Generationen entstehen, gelöscht und erneut gebildet werden können.

Anwendungen und Bakterien

Weil epigenetische Einstellungen grundsätzlich umkehrbar sind, ergeben sich laut Artikel neue Therapieansätze gegen Krebs. Dabei sollen gezielt Moleküle entwickelt werden, die kanzerogene Regulatoren entschärfen. Bei Sucht sind zahlreiche durch Rauschdrogen verursachte epigenetische Veränderungen im Belohnungszentrum des Gehirns bekannt; einige können vererbbar sein. In vorklinischen Tiermodellen ließ sich eine gezielte Beeinflussung suchtfördernder Einstellungen erreichen, Anwendungen beim Menschen seien aber wegen der Komplexität noch nicht absehbar. Der Artikel nennt außerdem epigenetische Veränderungen nach Cannabis-Konsum vor der Zeugung oder während der Schwangerschaft und empfiehlt, Konsumierende darüber zu informieren.

Bei Eukaryoten dienen epigenetische Mechanismen vor allem der Genregulation; bei Bakterien ist dies seltener. Bakterien nutzen jedoch verbreitet die postreplikative DNA-Methylierung zur Kontrolle von DNA-Protein-Wechselwirkungen. Dabei ist DNA-Adenin-Methylierung statt DNA-Cytosin-Methylierung das epigenetische Signal. Sie ist unter anderem für die Virulenz von Escherichia coli, Salmonella, Vibrio, Yersinia, Haemophilus und Brucella wichtig.

In Alphaproteobakterien reguliert Adeninmethylierung den Zellzyklus und verbindet Gentranskription mit DNA-Replikation. In Gammaproteobakterien liefert sie Signale für DNA-Replikation, Chromosomensegregation, Fehlpaarungsreparatur, Verpackung von Bakteriophagen, Transposaseaktivität und Genregulation. Streptococcus pneumoniae kann durch ein phasenvariables Methylierungssystem zufällig einen von sechs alternativen Zuständen annehmen; seine Fähigkeit, tödliche Infektionen auszulösen, unterscheidet sich zwischen diesen Zuständen. Ähnliche Systeme existieren in weiteren Bakteriengattungen.