Epigenetik

Die Epigenetik ist ein Spezialgebiet der Biologie. Sie befasst sich mit Zelleigenschaften (Phänotyp), die auf Tochterzellen vererbt werden und nicht in der DNA-Sequenz (dem Genotyp) festgelegt sind, daher die Vorsilbe epi (griechisch: επί- über, oberhalb, außerhalb).

Grundlage sind Veränderungen an den Chromosomen, wodurch Abschnitte oder ganze Chromosomen in ihrer Aktivität beeinflusst werden. Man spricht auch von epigenetischer Veränderung bzw. epigenetischer Prägung.^[1] Die DNA-Sequenz wird dabei jedoch nicht verändert. Das kann sowohl durch eine DNA-Methylierung als auch durch eine Modifikation der Histone erfolgen.

Einführung

Nach der Befruchtung teilt sich die Eizelle. Bis zum 8-Zell-Stadium (frühe Morula) sind alle Tochterzellen gleichwertig. Man bezeichnet sie als totipotent, weil jede von ihnen noch alleine in der Lage ist, einen kompletten Organismus hervorzubringen. Danach finden sich Zellen mit einem unterschiedlichen inneren Programm, deren Entwicklungspotenzial von nun an eingeschränkt – d. h. mehr und mehr spezialisiert – wird. Wenn der Körper fertig ausgebildet ist, sind die meisten Körperzellen für ihre Funktion fest programmiert (lediglich die sogenannten adulten Stammzellen bewahren sich eine gewisse Flexibilität). Dabei bleibt die Sequenz des Erbgutes unverändert (abgesehen von wenigen zufälligen, genetischen Veränderungen = Mutationen). Die funktionelle Festlegung erfolgt durch verschiedene Mechanismen, einer davon beruht auf biochemischen Modifikationen an einzelnen Basen der Sequenz oder der die DNA verpackenden Histone oder beiden. Solche Veränderungen führen dazu, dass bestimmte Bereiche des Erbgutes „ruhiggestellt“, andere dafür leichter transkribiert (in RNA für Proteine umgeschrieben) werden können. Diese Modifizierungen sehen in Körperzellen ganz anders aus als in Stammzellen oder in Keimzellen (Eizellen und Spermien; auch Krebszellen haben meist abweichende [und dabei spezifische] Modifikationsmuster). Die wichtigsten Modifikationen sind die Methylierung von Cytidin-Basen in Cytosin-Guanosin-Nukleotid-Dimeren (CpG) (DNA-Methylierung) sowie die Seitenketten-Methylierung und -Acetylierung von Histonen.

Begriffsbezeichnung

Die griechische Vorsilbe epi in Epigenetik hat mehrere Bedeutungen, wie „nach“, „hinterher“, „um … herum“ oder „zusätzlich“. Epigenetisch sind danach alle Prozesse in einer Zelle, die als „zusätzlich“ zu den Inhalten und Vorgängen der Genetik gelten. Conrad Hal Waddington hat den Begriff Epigenetik erstmals benutzt. Im Jahr 1942 (als die Struktur der DNA noch unbekannt war) definierte er Epigenetik als the branch of biology which studies the causal interactions between genes and their products which bring the phenotype into being („der Zweig der Biologie, der die kausalen Wechselwirkungen zwischen Genen und ihren Produkten, die den Phänotyp hervorbringen, untersucht“). Zur Abgrenzung vom allgemeineren Konzept der Genregulation sind heutige Definitionen meist spezieller, zum Beispiel: „Der Begriff Epigenetik definiert alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst kodiert sind.“^[2] Oder: Epigenetik ist das „Studium der erblichen Veränderungen in der Genomfunktion, die ohne eine Änderung der DNA-Sequenz auftreten“.^[3]

Epigenese

Mit dem Ausdruck Epigenese werden die graduellen Prozesse der embryonalen Morphogenese von Organen beschrieben. Diese beruhen auf epigenetischen Prozessen bei der Zellteilung der Vorläuferzellen, der Zelldifferenzierung.

Zugehörige Begriffe

Zu den epigenetischen Prozessen zählt man die Paramutation, das Bookmarking, das Imprinting, das Gen-Silencing, die X-Inaktivierung, den Positionseffekt, die Reprogrammierung, die Transvection, maternale Effekte (paternale Effekte sind selten, da wesentlich weniger nicht-genetisches Material mit dem Spermium vererbt wird), den Prozess der Karzinogenese, viele Effekte von teratogenen Substanzen, die Regulation von Histonmodifikationen und Heterochromatin sowie technische Limitierungen beim Klonen.

Epigenetik im Vergleich zur Genetik

Man kann den Begriff Epigenetik am besten verstehen, wenn man sich den Vorgang der Vererbung vor Augen führt:

• Vor einer Zellteilung wird die Erbsubstanz verdoppelt. Jeweils die Hälfte des verdoppelten Genoms wird dann auf eine der beiden Tochterzellen übertragen. Bei der sexuellen Vermehrung des Menschen, der Fortpflanzung, werden von der Eizelle die Hälfte des mütterlichen Erbguts und vom Spermium die Hälfte des väterlichen Erbguts miteinander vereint.
• Die Molekulargenetik beschreibt die Erbsubstanz als Doppelhelix aus zwei Desoxyribonukleinsäure-Strängen, deren Rückgrat aus je einem Phosphat-Desoxyribosezucker-Polymer besteht. Die genetische Information ist durch die Reihenfolge der vier Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) bestimmt, die jeweils an einen der Desoxyribose-Zucker angehängt sind.
• Die Basen des einen Stranges paaren sich fast immer mit einer passenden Base des zweiten Stranges. Adenin paart sich mit Thymin, und Cytosin paart sich mit Guanin.
• In der Reihenfolge der Bausteine A, C, G, T (der Basensequenz) ist die genetische Information verankert.

Einige Phänomene der Vererbung lassen sich nicht mit dem gerade beschriebenen DNA-Modell erklären:

• Bei der Zelldifferenzierung entstehen im Verlauf von Zellteilungen Tochterzellen mit anderer Funktion, obwohl das Erbgut in allen Zellen gleich ist. Die Festlegung der funktionellen Identität einer Zelle ist ein Thema der Epigenetik.
• Es gibt Eigenschaften, die nur vom Vater her (paternal) vererbt werden, so wie es Eigenschaften gibt, die nur von der Mutter (maternal) stammen und die nicht mit der Basensequenz in Zusammenhang stehen. Störungen dieses Zustandes führen zu schweren Krankheiten.
• Bei der Rückumwandlung von funktionell festgelegten Zellen (terminal differenzierte Zellen) in undifferenzierte Zellen, die sich wieder in verschiedene Zellen entwickeln können und die bei der Klonierung von Individuen (z. B. von Dolly) eingesetzt werden, müssen epigenetische Fixierungen aufgehoben werden, damit eine Zelle nicht auf eine einzige Funktion festgelegt bleibt, sondern wieder alle bzw. viele Funktionen erwerben und vererben kann.

Struktur eines Nukleosoms mit Histonen der Taufliege
Die DNA ist um den Kern aus acht Histon-Untereinheiten (je zwei H2a, H2b, H3 und H4) gewickelt und macht etwa 1,7 Umdrehungen. An das Stück DNA zwischen zwei Nukleosomen bindet Histon 1 (H1). Die Enden der Histone sind für epigenetische Modifizierung verfügbar: Methylierung, Acetylierung oder Phosphorylierung. Dadurch wird die Verdichtung oder Ausdehnung des Chromatins beeinflusst. Abbildung von Clapier et al., Proteindatenbank 2PYO^[4]

Histone und ihre Rolle bei der epigenetischen Fixierung

DNA liegt im Zellkern nicht nackt vor, sondern ist an Histone gebunden. Acht verschiedene Histonproteine, jeweils zwei Moleküle von Histon 2a, Histon 2b, Histon 3 und Histon 4 bilden den Kern eines Nukleosoms, auf das 147 Basenpaare eines DNA-Stranges aufgespult sind. Die Enden der Histonstränge ragen aus dem Nukleosom heraus und sind Ziel von Histon-modifizierenden Enzymen. Vor allem Methylierungen und Acetylierungen an Lysin, Histidin oder Arginin, außerdem Phosphorylierungen an Serinen sind die bekannten Modifizierungen. Außerdem spielt eine Rolle, ob die Lysin-Seitenkette mit ein, zwei oder drei Methyl-Gruppen belegt ist. Durch vergleichende Analyse postuliert man eine Art von „Histon-Code“, der in direktem Zusammenhang mit der Aktivität des von den Histonen jeweils gebundenen Gens stehen soll.

Einfluss von Methylierung und Acetylierung auf die Konformation des Chromatins
Die Histonseitenketten in den Nukleosomen können enzymatisch verändert werden. Dadurch ändert sich das Volumen eines Gensegments. Kleinere Volumina, geschlossene Konformation, Chromosomkondensierung und Inaktivität eines Gens stehen auf der einen Seite, größere Volumina, offene Konformation und Gen-Aktivität auf der anderen. Zwischen beiden Seiten ist ein Übergang möglich, der durch Anheftung und Abspaltung von Methylgruppen an Cytidin-Basen, durch Methylierung, Demethylierung, Acetylierung oder Deacetylierung mit Hilfe von Enzymen bewirkt wird.

Generell kann man sagen, dass Anheftung von Acetyl-Gruppen an die Lysin-Seitenketten der Histone zur Öffnung der Nukleosomen-Konformation führt, wodurch das Gen für die Transkription durch die RNA-Polymerase verfügbar wird. Durch eine verstärkte Anheftung von Methyl-Gruppen an Lysin-Seitenketten werden Proteine angeheftet wie z. B. das Methyl-bindende Protein MeCB, die die Genexpression unterdrücken, reprimieren, daher auch Repressorproteine genannt, wodurch die Histon-Konformation geschlossen wird und keine Transkription möglich ist.

Methoden der Epigenetik

Restriktionsendonukleasen, die nur an demethylierten CG-Dimeren schneiden

HpaII (Die zweite Restriktionsendonuklease aus Haemophilus parainfluenza) schneidet CCGG-Palindrome nur, wenn die CG-Dimere nicht methyliert sind, im Vergleich zu BsiSI (aus Bacillus), die auch methylierte C^meCGG-Palindrome schneidet. Tryndiak und Mitarbeiter zeigen damit, dass bei Zellen auf dem Weg zum Mammakarzinom ein fortschreitender globaler Verlust von DNA-Methylierung mit einer fehlgeleiteten Bildung der DNMT1, ^meCG-bindender Proteine und Veränderungen in den Histonen einhergeht.^[5]

Bi-Sulfit-Sequenzierung

Durch Behandlung von DNA mit Natriumhydrogensulfit (alter Name Bisulfit) werden Cytidine (C) in Uracil (U) umgewandelt. Bei einer anschließenden Sequenzierung findet man daher an den Stellen, wo vorher ein C war, nun ein U/T. Da bisulfit-behandelte DNA sehr labil ist, wird daher das Gen, das man analysieren möchte, mittels PCR wieder amplifiziert. Bei der nachfolgenden Sequenzierung werden dann T bzw. TG (Thymin-Guanosin-Dimere) identifiziert, wo in der unbehandelten DNA Cytosin bzw. CG-Dimere existierten.

Für die epigenetische Analyse ist wichtig, dass nur nicht-methylierte C-Basen konvertiert werden, während ^meC in CG-Dimeren nicht in Thymin konvertiert werden. Man kann daher mit dieser Methode exakt analysieren, welche CG-Dimere in einer bestimmten Zelle methyliert waren. Indem man das bisulfit-behandelte Genstück, das man analysieren möchte, nach der PCR-Amplifikation kloniert und verschiedene Klone sequenziert, erhält man eine Abschätzung, ob ein bestimmtes CG-Dimer gar nicht, vollständig oder nur partiell methyliert war. Bei der Methode des Pyrosequencing ist dieses Verfahren noch verfeinert und erlaubt genauere quantitative Aussagen: Man kann zum Beispiel den Schweregrad einer Tumorentartung mit dem Methylierungsgrad von CG-Inseln einzelner sogenannter Tumor-Suppressorproteine vergleichen und stellt fest, dass in bestimmten Tumoren des blutbildenden System (Hämatopoietisches System) bestimmte ^meCG-Dimere mit steigenden Schweregrad immer stärker methyliert sind.

Chromatin-Immunpräzipitierung

Bei dieser Methode kann man bestimmen, ob ein bestimmtes Protein an ein gegebenes DNA-Stück bindet: Durch Behandlung mit Formaldehyd werden die bindenden Proteine mit der DNA chemisch verknüpft. Durch Behandlung mit Ultraschall wird die DNA dann in Bruchstücke von 50 bis 1000 Basenpaare fragmentiert mit den gebundenen Proteinen an der DNA hängend. In einem nächsten Schritt werden mit Antikörpern gegen das bindende Proteine die an ein Protein gebundenen Gene geFISHt. Nach der Auftrennung der chemischen Verknüpfung durch Hitzebehandlung in 300 mM Kochsalz-Lösung kann man mit einer PCR das interessierende Genstück amplifizieren und schließlich bestimmen, ob eine Amplifikation stattgefunden hat oder nicht. Im ersteren Fall war das Protein an das Gen assoziiert, im zweiten Fall nicht. Je nach dem, welches Protein man mit Antikörpern versucht zu FISHen, kann man z. B. sagen:

• Die RNA-Polymerase hat an dem Gen gebunden, daher wurde es transkribiert, das Gen war aktiv.
• Das ^meCG-bindende Protein (MeCP) war an das Gen gebunden, daher wurde dieses nicht transkribiert und war ruhiggestellt (engl. "silencing").

Vererbung epigenetischer Prägungen

Die Vererbung epigenetischer Prägungen von einer Generation zur anderen Generation ist nur in ganz wenigen Fällen möglich. So könnten epigenetische Veränderungen bei Pigmenten der Maispflanze bzw. der Tomate erfolgen. Häufig wird der Begriff „Generation“ als Beginn eines Individualzyklus aber falsch interpretiert.

Die sicheren Befunde über genetische Veränderungen können den Lamarckismus argumentativ nicht unterstützen. Bisher existieren nur sehr wenige Hinweise, dass erlernte und erworbene Fähigkeiten von einer Generation zur anderen über die Keimzellen weitergegeben werden können.^[6] Auch ist eine Weitergabe an die nachfolgende Generation noch kein Beweis für eine genetische Manifestation.

Eine Vererbung epigenetischer Prägungen wurde 2003 von Randy Jirtle und Robert Waterland mittels Mäuseexperimenten vorgeschlagen.^[7][8] Weiblichen Agoutimäusen wurde vor der Paarung und während der Schwangerschaft eine bestimmte Zusammensetzung an Nährstoffen verabreicht. Es zeigte sich, dass ein Großteil der Nachkommen nicht den typischen Phänotyp aufweist.

In einer Humanstudie untersuchten die beiden Genetiker Marcus Pembrey und Lars Olov Bygren sowie Mitarbeiter verschiedene Faktoren, die Aufschluss über die Lebensmittelverfügbarkeit und Sterbefälle der kleinen schwedischen Stadt Överkalix gaben.^[9] Es zeigte sich, dass die meisten Personen, deren Großeltern in ihrer Kindheit genug zu essen hatten, mit zunehmendem Alter an Diabetes erkrankten.^[10] Die Erkrankung trat allerdings nach einem bestimmten Muster auf, was auf epigenetische Veränderungen auf den Geschlechtschromosomen schließen lässt. So waren zum Beispiel nur die männlichen Nachkommen betroffen, wenn der Großvater sehr viel zu essen hatte.

Siehe auch

DNA-Methylierung

Literatur

Übersichtsartikel

• Bradbury, J. (2003): Human Epigenome Project—Up and Running. In: PLoS Biol. Vol. 1, S. e82 doi:10.1371/journal.pbio.0000082; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
• Costa, FF. (2008): Non-coding RNAs, epigenetics and complexity. In: Gene Vol. 410, Iss. 1, S. 9–17, PMID 18226475, doi:10.1016/j.gene.2007.12.008
• Jablonka, E. und Lamb, MJ. (2002): The Changing Concept of Epigenetics. In: Annals of the New York Academy of Sciences Vol. 981, S. 82–96, PMID 12547675
• Delcuve, GP. et al. (2009): Epigenetic control. In: J Cell Physiol. Vol. 219, Iss. 2, S. 243–250, PMID 19127539, PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
• Marmorstein, R. und Trievel, RC. (2009): Histone modifying enzymes: structures, mechanisms, and specificities. In: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) Vol. 1789, Iss. 1, S. 58–68, PMID 1872256, doi:10.1016/j.bbagrm.2008.07.009
• Morgan, HD. et al. (2005): Epigenetic reprogramming in mammals. In: Human molecular genetics. (Hum Mol Genet.) Vol. 14, Iss. 1, R47–58, PMID 15809273; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)

Nachschlagewerke und Sachbücher

• Oscar Hertwig (1849-1922): Biological problem of today: preformation or epigenesis? The basis of a theory of organic development. Heinemann; London 1896.
• Joachim Bauer: Das Gedächtnis des Körpers: wie Beziehungen und Lebensstile unsere Gene steuern. Eichborn, Frankfurt am Main 2002; Erweiterte Taschenbuchausgabe, Piper, München 2004 (10. Aufl. 2007), ISBN 978-3-492-24179-3
• Bernhard Kegel: Epigenetik. Wie Erfahrungen vererbt werden. Dumont, Köln 2009, ISBN 978-3-8321-9528-1
• Peter Spork: Der zweite Code. Epigenetik – oder wie wir unser Erbgut steuern können. Rowohlt, Reinbek 2009, ISBN 978-3-498-06407-5
• Wolfgang Wieser: Gehirn und Genom: ein neues Drehbuch für die Evolution. Beck, München 2007, ISBN 3-406-55634-5

Anderes

• Bruch des bösen Zaubers. In: Der Spiegel. Nr. 32, 2008 (online). 

Weblinks

Portale

• The Epigenome Network of Excellence (enthält Verweise auf aktuelle Veröffentlichungen) (engl.)
• Epigenomics beim NCBI (engl.)
• Epigenetik: Portal epigenetischer Forschung
• Öffentliches europäisches Epigenom-Netzwerk (mehrsprachig)

Einzelbeiträge

• Epigenetik – Vererbung ist mehr als die Summe der Gene (Bild der Wissenschaft, 2003)
• Epigenetische Vererbung – die Rehabilitierung von Lamarck (2007)
• Deutschlandfunk: Wie die Epigenetik die Biologie revolutioniert (2007)
• Epigenetik: der Übercode (GEO Magazin Nr. 4/07)
• 3sat hitec: Epigenetische Komponenten von Krankheiten (2009)
• Ein anderer Code. Halbstündiger Einführungsvortrag in Epigenetik von Peter Spork (SWR2 Wissen, 2011)
• Spuren der Vorfahren auf unserem Erbgut (NZZ 2012)

Einzelnachweise