Mechanismen in der Epigenetik
Epigenetische Phänomene verändern nicht die Basenabfolge der DNA (Sequenz), sondern die chemische Struktur der DNA-Basen und/oder die Verpackung der DNA. Die wichtigsten epigenetischen Modifikationen sind zum einen die DNA-Methylierung und die Histon-Modifikation.
Wissenschaftliche Beratung:
Dr. Stefan Dehmel, Abteilung Strategie, Programme und Ressourcen, Helmholtz Zentrum München
Dr. Klaus Rehmann, Abteilung Strategie, Programme und Ressourcen, Helmholtz Zentrum München
Epigenetische Phänomene verändern nicht die Basenabfolge der DNA (Sequenz), sondern die chemische Struktur der DNA-Basen und/oder die Verpackung der DNA. Die wichtigsten epigenetischen Modifikationen sind zum einen die DNA-Methylierung und die Histon-Modifikation.
Wissenschaftliche Beratung:
Dr. Stefan Dehmel, Abteilung Strategie, Programme und Ressourcen, Helmholtz Zentrum München
Dr. Klaus Rehmann, Abteilung Strategie, Programme und Ressourcen, Helmholtz Zentrum München
DNA-Methylierung
Die DNA-Methylierung bildet einen wichtigen Prozess in der Epigenetik. Indem in bestimmten Genbereichen Methylgruppen an die Base Cytosin angeknüpft werden, kann die Aktivität der betroffenen Gene unterdrückt werden. Die Gene werden durch diese Veränderung also quasi stillgelegt. Die Methylierung geschieht in den sogenannten CpG-Inseln. Dies sind DNA-Abschnitte, in denen besonders oft die Basenabfolge Cytosin-Guanin, genauer Cytosinphosphatidyl-Guanosin, kurz CpG, auftritt.
Eine Gruppe isländischer und US-amerikanischer Forscher konnte nachweisen, dass sich die DNA-Methylierung von CpG-Inseln im Laufe des Lebens verändern kann. Wie die Untersuchung ergab, unterschied sich bei acht bis zehn Prozent der Studienteilnehmer der DNA-Methylierungsgrad innerhalb eines Zeitraums von elf bis 16 Jahren um mehr als 20 Prozent. Epigenetische Mechanismen sind also nicht dauerhaft, sondern in einigen Fällen auch durchaus umker- und veränderbar.
Beispiel ‚Rauchen in der Schwangerschaft‘: US-amerikanische Wissenschaftler konnten zeigen, dass Rauchen in der Schwangerschaft ebenfalls die DNA-Methylierungsmuster beim Neugeborenen verändert, sodass bestimmte Gene beim Kind an- oder abgeschaltet werden.
Histon-Modifikation
Im Zellkern bestimmt das Chromatin - ein Komplex, der vorwiegend aus DNA und bestimmten Eiweißen, den sogenannten Histonen besteht - die Packungsdichte der DNA. Der Zustand des Chromatins wiederum beeinflusst die Transkription, ermöglicht oder verhindert also das Ablesen der Gene und damit die Produktion bestimmter Eiweiße. Hochkondensierte, das sind dicht gepackte Chromatin-Bereiche, erschweren, offene dagegen erleichtern den Zugang der Ablesemaschinerie zur DNA.
Der Packungszustand des Chromatins kann durch verschiedene epigenetische Prozesse verändert werden. So können beispielsweise verschiedene chemische Gruppen an bestimmte Aminosäuren der Histone angefügt oder von ihnen entfernt werden. Beispiele für solche Veränderungen an den Histonen sind:
- acetylieren oder deacetylieren (Hinzufügen oder entfernen von Acetylgruppen),
- phosphorylieren (Anhängen von Phosphatgruppen),
- methylieren (Anhängen von Methylgruppen) oder
- ubiquitinylieren (Anhängen von Ubiquitin)
Eine Acetylierung von Histonen führt zum Beispiel dazu, dass sich die Struktur des Chromatins auflockert und die dort verpackten Gene abgelesen werden können.
Epigenetik: Ziele und Hoffnungen der Forschung
Ziele
Die Epigenetik untersucht, wie übergeordnete Steuerungselemente des Genoms die Aktivität der Gene beeinflussen. Die Forscher erwarten sich viel davon.
Welchen Einfluss hat die Umwelt auf das Epigenom?
Umwelteinflüsse
Das Epigenom eines Menschen wird durch Umwelt- und Lebensstilfaktoren beeinflusst. Auch bestimmte Schadstoffe können den Methylierungsgrad der DNS verändern.
Epigenetik: Welchen Nutzen hat dieser Forschungsansatz?
Nutzen
Bedeutend ist die Epigenetik vor allem auch für das Verständnis komplexer chronischer Krankheiten wie Asthma, COPD oder auch Diabetes.
Epigenetik: Aktuelle Forschungsaktivitäten
Forschung
Langfristiges Ziel der epigenetischen Forschung ist es, Medikamente zur Therapie von chronischen Krankheiten zu entwickeln.
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Quellen
- Zeilinger, S. et al.: Tobacco smoking leads to extensive genome-wide changes in DNA methylation. PLoS ONE 8:e63812 (2013)
- Liu, L. et. al.: Gene-Environment Interactions and Epigenetik Basis of Human Diseases. In: Current Issues of Molecular Biology, 2008; 10: 25-36
- Gomes, M., Waterland, R.: Individual Epigenetic Variation: When, Why, and so What. In: Nestlé Nutrition Workshop Series Pediatric Program, 2008, 62: 141-149
- Bjornsson, H., et. al.: Intra-individual Change Over Time in DNA Methylation With Familial Clustering. In: JAMA (Journal of the American Medical Association), 2008, 24: 2877-2883
Letzte Aktualisierung: 23.05.2018
