Epigenetische Prozesse

Essay, der im Ertrag nicht viel bringt. Mechanismen könnten problemlos in den Artikel Epigenetik eingearbeitet werden. Diese "Lesefrucht" ist eigentlich überflüssig. -- 08:44, 4. Sep. 2014 (CEST)

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Die epigenetischen Prozesse im Zellkern

Noch bis zur Entschlüsselung des menschlichen Genoms durch Craig Venter glaubten die Evolutionsbiologen, im Code der DNA den Schlüssel der Vererbung in Händen zu haben. Danach aber stellte sich zur (zunächst) großen Enttäuschung vieler an diesem Thema arbeitender Wissenschaftler heraus, dass die DNA keineswegs die "Blaupause" für den Organismus darstellt. Vielmehr enthält die DNA (gewissermaßen als das "Patentamt" der Zelle) in spezifischen Genabschnitten die molekularen Grundlagen für die Produktion aller Proteinen die der Organismus erzeugen kann. Die Produktion der Proteine aber, die zur rechten Zeit am rechten Ort zum Aufbau der Organe benötigt werden, werden durch hochkomplexe Vorgänge in den Zellkernen, die als epigenetische Prozesse bezeichnet werden, gesteuert. Als Ergänzung der epigenetische Code kommen dabei so genannte Schalter-Epigenome zum Einsatz. Sie stellen eine Art Langzeitgedächtnis der Zelle dar, das - außerhalb des Genoms - möglicherweise als ein zweiter Vererbungsweg an die Nachkommen weitergegeben wird.

Derzeit werden diese sich auf molekularer Ebene abspielenden Prozesse noch nicht voll verstanden. Die neuen Erkenntnisse der Mikrobiologie haben aber die moderne Evolutionstheorie (die so genannte Synthetische Theorie) erneut revolutioniert.

Dazu: Spork, Peter: Der zweite Code: Epigenetik - oder wie wir unser Erbgut steuern können. Rowohlt, 2009

Daraus einige Auszüge, aus denen man einiges über die Reichweite der neuen Erkenntnisse der Molekularbiologie entnehmen kann und die zum weiteren Ausbau dieses Lemmas dienen können: "Die Epigenetik erforscht alle Änderungen der Genfunktion, die nicht auf Veränderung der DNA-Sequenz zurückzuführen sind und dennoch von den Zellen an ihre Tochterzellen vererbt werden." "Der genetische Code sagt einem Körper, welche Biomoleküle er überhaupt bauen kann; der zweite, der epigenetische Code sagt ihm, wann und wo er welches von den prinzipiell möglichen Biomolekülen tatsächlich bauen soll. Der zweite Code verankert wichtige Information an und im Erbgut, wirkt dabei allerdings auf einer anderen Zeitskala als der erste. Epigenetische Informationen wandeln sich binnen Jahren und Jahrzehnten, reagieren dynamisch auf Veränderungen der Umwelt. Die klassische genetische Evolution à la Darwin braucht für Veränderungen Jahrtausende."

"Die neue Wissenschaft beantwortet interessante Fragen: Welche Rolle spielen die ersten Lebensjahre und die Zeit im Mutterleib für die Ausprägung des Gehirns, und was können Eltern tun, damit sich ihre Kinder optimal entwickeln? Was Verändert eine Psychotherapie im Denkorgan von Menschen, die beispielsweise eine Depression oder eine Posttraumatische Belastungsstörung haben."

"Die Frage, welche Eigenschaften wir von unseren Vorfahren geerbt und welche Eigenschaften wir durch Erziehung, Kultur und die Interaktion mit unserer Umwelt erworben haben, stellt sich in dieser Form nicht mehr. Beide Seiten sind keine Gegensätze, sie ergänzen sich. Die Umwelt beeinflusst das Erbe und umgekehrt."

"Organismen erhöhen ihre Komplexität ... nicht nur über eine Abwandlung der Gene, sondern auch über Veränderungen der Genregulation, die den Gentext unberührt lassen." So können "molekularbiologische Systeme [beispielsweise Zellen und Zellverbände, Zellkerne und deren Erbsubstanz, M. F.] mit ihrer Umwelt kommunizieren. Dieser Informationsaustausch findet auf drei Zeitebenen statt:" 1. Im Sekunden- bis Tagesbereich: Die Zelle kann ihre Gene gezielt an- und ausschalten: Bestimmte Botenstoffe (Transkriptionsfaktoren) docken an spezielle Kontrollregionen (Promotoren) auf der DNA an, die ein oder mehrere Gene (DNA-Stücke, die den Code für ein bestimmtes Protein enthalten) blockieren oder zum Ablesen freigeben können. 2. Über "Monate, Jahre bis hin zu einem ganzen Leben und vielleicht noch überein paar weiter Generationen hinweg": mittels der "Schalter der Epigenome, die eine Art Langzeitgedächtnis der Zellen bilden." 3. Über Generationen (mitunter viele Jahrtausende) durch die Auslese zufälliger Mutationen der Genome. "Anders als der Gencode verschwindet der epigenetische, zweite Code fast vollständig, wenn ein Wesen stirbt, und wird im Zuge der geschlechtlichen Zeugung eines neuen Gesamtorganismus wieder neu aufgebaut - allerdings in einer etwas anderen Form als bei den jeweiligen Eltern."

"Für das epigenetische Programm einer Zelle - für ihre Identität und ihre Anpassung - sind nach derzeitigem Wissensstand drei biochemische Schalterstrukturen besonders wichtig: Das sind zum Ersten sogenannte Methylgruppen, die sich direkt an die DNA anlagern und Gene abschalten. Zum Zweiten gibt es chemische Veränderungen an den Proteinen, um die sich die DNA wickelt. Diese Veränderungen machen ganze DNA-Stücke ablesbar oder unablesbar. Und zum Dritten gibt es kleine, DNA-ähnliche Moleküle, die verhindern, dass bereits abgelesene Gene in Proteine übersetzt werden."

1. Epigenschaltersystem: Methylgruppen (Methyltransferasen) bauen Riegel in die DNA und schalten damit Gene aus (Methylierung). "Das Methylierungsmuster unterscheidet sich je nach Zelltyp und bestimmt ganz entscheidend, was eine Zelle kann und was nicht."

2. Epigenschaltersystem: die Histon-Modifikation. Verpackung der DNA in den Chromosomen. Der dünne DNA-Faden eines Chromosoms wickelt sich um die Nuleosomen, die aus mehreren Proteinen (Histonen) bestehen, zu einer Art "Kabeltrommeln". Aus den Histonen ragen mehr oder weniger lange "Schwänze" heraus. Je nachdem, welches kleine Protein an welche der vielen Stellen eines Histonschwanzes anbindet, verändert sich die räumliche Struktur des Histons auf eine ganz bestimmte Weise. Entfernt die Zelle mittels eines Enzyms eine Chemische Gruppe oder baut sie an einer anderen Stelle an, kann das zur Folge haben, dass sich der DNA-Strang noch fester um seine "Kabeltrommel" wickelt. Das schaltet die Gene an dieser Stelle schlagartig stumm. Es kann aber auch passieren, dass sich der Faden lockert oder sogar ganz abwickelt, was Ganze Gruppen von Genen plötzlich ablesbar macht (aktiviert). DNA und Histonen zusammen werden als Chromatin bezeichnet.

3. Die RNA-Interferenz. Es gibt in jeder Zelle eine Vielfalt von hoch spezialisierten Ribonukleinsäure-Molekülen (RNA). Neben den Boten- und Tansport-RNAs gibt es noch die Mikro-RNAs. Sie sind das dritte wichtige Schaltersystem des epigenetischen Codes. In einem komplizierten Vorgang (beschrieben S. 59 - 63 u. Abb.) werden Boten- RNA, die DNA-Abschnitte für die Bildung eines bestimmten Protein ablesen, wieder herausgefischt und zerstört. Dadurch kann die Bildung dieses Proteins dosiert gedrosselt werden, je nachdem wie viel von der betreffenden Boten-RNA abgefangen wird.

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"Oxytocin und Vasopressin werden auch als »Kuschelhormone« bezeichnet, weil Säugetiere sie immer dann in größeren Mengen ausschütten, wenn sie mit Artgenossen Zärtlichkeiten austauschen oder freundlich mit ihnen kommunizieren. Psychologen vermuten, dadurch entstünden angenehme Gefühle, die den zweiten Code beteiligter Gehirnzellen auf Dauer verändern. Das stärke die Bindungsfähigkeit und letztlich die Persönlichkeit."

"Schon länger ist bekannt, dass Menschen, die als Kind missbraucht wurden, oft unterentwickelte Hippocampi aufweisen." "Reelin unterstützt die Ausbildung und Verstärkung neuer Nervenkontakte."

"Nachgewiesen ist ..., dass Bisphenol A eine hormonähnliche Wirkung hat und vor allem die Methylierung der DNA auf breiter Front verhindert." "Bisphenol A kommt inzwischen aber so ziemlich überall vor, und man kann der Substanz kaum aus dem Wege gehen." Es kommt u. a. in Plastikflaschen und in den Innen¬be¬schichtungen von Konserven vor.

Alterung: (S. 173 f) Altern als chronische Entzündung (S. 179 ff) Telomere und Telomerase (S. 182 ff) Dauerstress macht alt (S. 186 ff)

[Ein über lange Zeit überhöhter Stresshormonspiegel verringert die Menge des zellverjüngenden Enzyms Telomerase und führt dadurch die Chromosomenenden (Telomere), was wiederum zu einer beschleunigten Alterung führt. ]

Sirtuine (ein Gruppe von Proteinen) zögern offenbar die Alterung der Zelle auf vielerlei verschiedenen Wegen hinaus. An den Chromosomenenden sitzen besonders viele Sirtuine. Sie schützen die Telomere davor, abgebaut zu werden. Resveratrol (u. a. enthalten in Rotwein) aktiviert nachweislich die Sirtuine. Insulin und IGF-1 (insulinartiger Wachstumsfaktor 1) sind Gegenspieler der Sirtuine. "Zweifelsfrei belegt ist inzwischen: Je geringer die Insulin- oder IGF-1-Spiegel zeitlebens sind, desto älter wird ein Lebewesen." Die Sirtuine gehören zu den Histon-Deacetasen (HDAC), das sind Enzyme, die von den Schwänzen der Histone die Acetylgruppen entfernen. An diesen Stellen binden die Histonproteine den Genabschnitt so straff an das Nukleosom, dass dieser Abschnitt nicht mehr abgelesen (kopiert) werden kann.

Krebs kann beispielsweise auf zweierlei Weise entstehen: 1. durch Entartung der DNA (genetische Mutation) einer Zelle, 2. durch epigenetische Veränderungen im Zellkern.

Weitere Sachbücher

• 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.