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Neben den Genen

Eine Einführung in die Epigenetik für interessierte Laien und Fachleute aus Bereichen wie Medizin, Psychologie, Soziologie oder den Gesundheitswissenschaften.

27.02.2020
19 Minuten
Ein Regal mit vielen alten Büchern der Bibliothek des Trinity College in Dublin, am Rand eine Leiter.

Teil zwei des Erbe&Umwelt Schwerpunkts Epigenetik

Einleitung

Programme zur Prävention von Alters- und Volkskrankheiten empfehlen in der Regel eine ausgewogene Ernährung, ausreichenden Schlaf und vor allem regelmäßige körperliche Aktivität. Sie berufen sich dabei auf eine Fülle epidemiologischer Studien, die keinen Zweifel daran lassen, dass derartige Lebensstilfaktoren unsere Gesundheit positiv beeinflussen können.

Gleichzeitig ist aber sehr wenig über die zugrunde liegenden physiologischen und molekularbiologischen Prozesse bekannt. Nicht nur an diesem Punkt verändert sich derzeit dank einer jungen Wissenschaft das Bild. Die Epigenetik ist eine Tochterdisziplin der Genetik und scheint die entscheidende Schnittstelle zwischen Umwelteinflüssen und Lebensstilfaktoren auf der einen Seite sowie der Regulation der Gene in den einzelnen Organen, Zellen und Geweben auf der anderen Seite zu sein.

Die Epigenetik erklärt, wie es äußeren Signalen gelingt, das tiefste Innere der menschlichen Physiologie – die Genregulation – mehr oder weniger dauerhaft zu prägen. Damit erklärt sie auch, wie es höhere Lebewesen schaffen, sich sogar binnen kurzer Zeiträume an wandelnde Umweltbedingungen anzupassen. Und sie erklärt, warum die perinatale Phase – die Zeit im Mutterleib und ungefähr im ersten Lebensjahr – so besonders wichtig für die spätere Widerstandskraft eines Menschen ist. In dieser Zeit reifen die meisten Organe, weshalb sie besonders sensibel und tiefgreifend mit epigenetischen Veränderungen auf äußere Einflüsse reagieren. (Für eine ausführliche Einführung in die Epigenetik siehe [1], für neueste Erkenntnisse zur perinatalen Programmierung und dem aus der Epigenetik resultierenden gewandelte Verständnis von Gesundheit siehe [2].)

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Die Epigenetik untersucht dabei nicht den eigentlichen Code des zentralen Erbgutmoleküls Desoxyribonukleinsäure (DNA). Er ist beim Menschen ein rund 3,3 Milliarden „Buchstaben“ umfassender und auf mehrere Chromosomen verteilter „Text“, der aus den vier möglichen Nukleotiden der DNA zusammengesetzt ist. Die Epigenetik beschäftigt sich stattdessen mit biochemischen Anhängseln, die entweder direkt an die DNA oder an mit der DNA assoziierte Proteine angelagert werden und die Aktivierbarkeit der Gene verändern. Das heißt, epigenetische Veränderungen lassen das genetische Erbe – den Text der Gene – völlig unberührt. Sie beeinflussen aber, ob und wie gut die Zelle bestimmte Gene ablesen kann. Damit hat die Epigenetik entscheidenden Einfluss auf den Phänotyp von Zellen und Geweben – und somit auf unser Erkrankungsrisiko.

Eine gesunde Lebensweise sowohl der Eltern vor und während der Schwangerschaft als auch der Kinder in den ersten Lebensjahren verbunden mit geringen Mengen an toxischem Stress und einer guten Eltern-Kind-Bindung entfalten deshalb sehr wahrscheinlich eine bis ins Alter anhaltende präventive Wirkung. Neueste Studien legen nahe, dass dadurch sogar die Gesundheit mehrerer folgender Generationen positiv beeinflusst werden kann [2].

Das zelluläre Gedächtnis für Umwelteinflüsse

Zentrale Aufgabe epigenetischer Markierungen ist es, die Identität der Zelle festzulegen, etwa als eine der rund 300 verschiedenen Zelltypen des Körpers. Nerven-, Haut- oder Muskelzellen sind zum Beispiel völlig verschieden obwohl sie genetisch nahezu identisch sind. Sie arbeiten aber in verschiedenen epigenetischen Programmen. Auch für die Ausdifferenzierung von pluripotenten Stammzellen über Vorläuferzellen zu spezifischen, so genannten adulten oder reifen Zellen sind Veränderungen der zellulären Epigenome verantwortlich.

Als Epigenom wird dabei die Gesamtheit der epigenetischen Strukturen in der Zelle bezeichnet, vergleichbar dem Genom als Gesamtheit des genetischen Textes. Dieser Aspekt unterstreicht, dass die Epigenetik eines Menschen sehr viel komplexer ist als seine Genetik: Wir besitzen in der Regel nur ein Genom, aber wir haben Abertausende, vielleicht sogar Abermillionen verschiedene Epigenome.

Der Begriff Epigenetik wurde vom britischen Entwicklungsgenetiker Conrad Hal Waddington in den 1940er Jahren geprägt. Das erste epigenetisch aktive Enzym identifizierten Charles David Allis und Kolleg*innen im Jahr 1996 [3]. (Für eine aktuelle Übersicht über die Geschichte der Epigenetik siehe [4].)

Eine Murmel kann in einer Landschaft in verschiedene Täler hinabrollen.
Die epigenetische Landschaft: Conrad Hal Waddington entwarf dieses Bild, um den Einfluss von Genen und Umwelt auf die Entwicklung eines Lebewesens zu veranschaulichen. Die Täler stellen epigenetische Programme (Phänotypen) dar, durch die der älter werdende Organismus wie eine Murmel hinabrollt. Umwelteinflüsse bringen die Murmel von der Bahn ab und können zum Wechsel in ein anderes Tal führen. Dann ändert sich der Organismus.

Die griechische Vorsilbe „Epi“ bedeutet so viel wie „neben“, „über“, „zusätzlich“ oder „anbei“. Nach der bekanntesten Definition ist die Epigenetik tatsächlich eine Art Nebengenetik: Sie beschreibt alle nicht im DNA-Code gespeicherten Strukturen, die die Eigenschaften und den Stoffwechsel einer Zelle kontrollieren und von ihr an Tochterzellen weitergegeben werden {5]. So sind mitotisch – also ungeschlechtlich – vererbte epigenetische Markierungen beispielsweise verantwortlich dafür, dass aus einer Blutstammzelle immer nur Blutzellen werden, während sich neue Haut immer nur aus Hautvorläuferzellen entwickelt und so weiter.

Eine neure, besonders elegante Definitionen der Epigenetik lautet: „Epigenetik ist die Weitergabe erworbener Information ohne Veränderung der DNA-Sequenz“ [6]. Noch umfassender sollte man vielleicht sogar schlicht von erworbenen molekularbiologischen Umweltanpassungen sprechen, die nicht in der DNA-Sequenz gespeichert sind. Letztlich geht es nämlich nicht nur um die Weitergabe der Information, sondern auch um deren Speicherung, also um eine Art zelluläres Gedächtnis für Umwelteinflüsse. Nervenzellen leben beispielsweise meistens bis zum Tod eines Menschen und teilen sich nie. Dennoch können sie epigenetische Programme dauerhaft einfrieren und aufbewahren.

Epigenetische Schalter und Dimmer

Grafische Darstellung einer methylierten DNA
Hintergrund-Info Epigenetik: Die Epigenetik erforscht Strukturen auf- oder neben den Genen, die Zellen weitervererben, ohne dass sich der Text des Erbgutmoleküls DNA selbst wandelt. Die bekannteste epigenetische Struktur sind an die DNA angelagerte Methylgruppen, CH-3 (siehe die abgebildete Grafik, die gleichzeitig auch das Symbolbild der Koralle Erbe&Umwelt ist). Mit Hilfe dieser DNA-Methylierung wird in aller Regel das Ablesen eines Gens erschwert oder verhindert. Als zweites wichtiges epigenetisches System gilt der so genannte Histon-Code: Dabei verändert die Zelle durch viele verschiedene Arten von Anhängseln die Struktur der Histonproteine. Um diese Proteine ist die DNA in regelmäßigen Abständen aufgewickelt. Ändern sie ihre Eigenschaften, ändert sich auch die Fähigkeit der Zelle, die benachbarten Gene zu aktivieren. Epigenetische Strukturen sind also wie Schalter oder Dimmer, die Teile des Erbguts aktivierbarer machen und andere mehr oder weniger ruhig stellen. Sie helfen Organismen, vergleichsweise kurzfristig mit bleibenden Veränderungen auf neue Anforderungen aus der Umwelt und des Lebensstils – Ernährung, Stress, Bewegung, soziale Kontakte – zu reagieren.

Gesundheit ist kein Zufall

Auf dem Cover des Buchs „Gesundheit ist kein Zufall“ von Peter Spork klebt der Aufkleber „Spiegel Bestseller“.
Bereits in der vierten Auflage als Hardcover und der in der zweiten Auflage als Taschenbuch: Peter Spork: Gesundheit ist kein Zufall. Wie das Leben unsere Gene prägt. Die neuesten Erkenntnisse der Epigenetik. DVA 2017; Pantheon 2019.

Perinatale Programmierung und Gesundheit

Transgenerationelle Epigenetik und Ausblick

Eine normale und eine epimutierte Form des Leinkrauts.
Weil bei manchen Vertretern des Echten Leinkrauts (Linaria vulgaris) ein Gen durch angelagerte Methylgruppen stumm geschaltet ist, verlieren die Blüten ihre für Lippenblütler typische Form. Diese epigenetische Mutation wird an die Nachkommen vererbt. Rechts eine epimutierte, links eine normale Blüte.

Zusammenfassung

Literatur

1. Spork P. Der zweite Code. Epigenetik – oder Wie wir unser Erbgut steuern können. Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg 2009.

2. Spork P. Gesundheit ist kein Zufall. Wie das Leben unsere Gene prägt. Die neuesten Erkenntnisse der Epigenetik. DVA, München 2017.

3. Brownell JE, Zhou J, Ranalli T, et al. Tetrahymena histone acetyltransferase A: a homolog to yeast Gcn5p linking histone acetylation to gene activation. Cell 1996; 84: 843–851.

4. Allis CD, Jenuwein T. The molecular hallmarks of epigenetic control. Nature Rev. Gen. 2016; 17: 487–500.

5. Allis CD, Caparros M-L, Jenuwein T, Reinberg D (Hrsg.). Epigenetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor/New York 2015.

6. Jenuwein T. Epigenetik – „Wir sind mehr als die Summe unserer Gene“. Jahresbericht der Max-Planck-Gesellschaft 2013: 23–28.

7. Lyko F, Foret S, Kucharski R, et al. The Honey Bee epigenomes: Differential methylation of brain DNA in queens and workers. PLoS Biology 2010; 8: doi: 10.1371/journal.pbio.1000506.

8. Heyn H, Li N, Ferreira HJ, et al. Distinct DNA methylomes of newborns and centenarians. PNAS 2012; 109: 10522–10527.

9. Poulsen P, Esteller M, Vaag A, Fraga MF. The epigenetic basis of twin discordance in age-related diseases. Pediatr. Res. 2007; 61: 38R-42R.

10. Fenaux P, Mufti GJ, Hellstrom-Lindberg E, et al. Efficacy of azacitidine compared with that of conventional care regimens in the treatment of higher-risk myelodysplastic syndromes: a randomised, open-label, phase III study. Lancet Oncol. 2009; 10: 223–232.

11. Spork P. Diverse Meldungen zum Stichwort EZH2. Newsletter Epigenetik 2010 – 2019; https://www.newsletter-epigenetik.de/tag/ezh2/.

12. Spork P. Diverse Meldungen zum Stichwort Bromodomain-Hemmer. Newsletter Epigenetik 2010 – 2019; https://www.newsletter-epigenetik.de/tag/bromodomain-hemmer/.

13. Khraiwesh B, Arif MA, Seumel GI, et al. Transcriptional control of gene expression by microRNAs. Cell 2010; 140: 111–122.

14. Dawson MA. The cancer epigenome: Concepts challenges, and therapeutic opportunities. Science 2017; 355: 1147–1152.

15. Flavahan WA, Gaskell E, Bernstein BE. Epigenetic plasticity and the hallmarks of cancer. Science 2017; 357: eaal2380.

16. Unternaehrer E, Meinlschmidt G. Psychosocial stress and DNA methylation. In: Spengler D, Binder E (Hrsg.). Epigenetics and Neuroendocrinology; 2: 227–261. Springer International 2016.

17. Wahl S, Drong A, Lehne B, et al. Epigenome-wide association study of body mass index, and the adverse outcomes of adiposity. Nature 2016; 541: 81–86.

18. Horvath S. DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome Biology 2013; 14: 3156.

19. Sailini MR, Halling JF, Møller HD, et al. Lifelong physical activity is associated with promoter hypomethylation of genes involved in metabolism, myogenesis, contractile properties and oxidative stress resistance in aged human skeletal muscle. Scientific Reports 2019; 9: 3272.

20. Spork P. Wie Sport wirkt. Wer sich zeitlebens viel bewegt, ist epigenetisch anders. Muskelzellen prägen sich durch Sport in Richtung Gesundheit um. Erbe&Umwelt: Was Gesundheit und Persönlichkeit prägt 17.04.2019; https://www.riffreporter.de/erbe-umwelt-peter-spork/sport_wirkt/.

21. Plagemann A. Perinatale Programmierung, neuro-endokrine Epigenomik und präventive Medizin – Das Konzept der Vegetativen Prägung. Nova Acta Leopoldina NF 2014; 120: 197–225.

22. Kumsta R, Marzi SJ, Viana J, et al. Severe psychosocial deprivation in early childhood is associated with increased DNA methylation across a region spanning the transcription start site of CYP2E1. Transl. Psych. 2016; 6: e830.

23. Radtke KM, Ruf M, Gunter HM, et al. Transgenerational impact of intimate partner violence on methylation in the promotor of the glucocorticoid receptor. Transl. Psych. 2011; 1: e21.

24. Serpolini F, Radtke K, de Assis SG, et al. Grandmaternal stress during pregnancy and DNA methylation of the third generation: an epigenome-wide association study. Transl. Psych. 2017; 7: e1202.

25. Guénard F, Deshaies Y, Cianflone K, et al.: Differential methylation in glucoregulatory genes of offspring born before vs. after maternal gastrointestinal bypass surgery. PNAS 2013; 110: 11439–11444.

26. Spork P, Hellhammer D (Interview). „Wir brauchen eine neue Taxonomie von Stresskrankheiten“. Dirk Hellhammer ist einer der bekanntesten Stressforscher unserer Zeit. Erbe&Umwelt: Was Gesundheit und Persönlichkeit prägt 24.04.2018; https://www.riffreporter.de/erbe-umwelt-peter-spork/interview_dirk_hellhammer/.

27. Spork P. Gesundheit beginnt vor der Zeugung. Muss die Präventionspolitik umdenken? Erbe&Umwelt: Was Gesundheit und Persönlichkeit prägt 08.06.2018; https://www.riffreporter.de/erbe-umwelt-peter-spork/gesundheit_vor_der_zeugung/.

28. Donkin I, Versteyhe S, Ingerslev LR, et al. Obesity and bariatric surgery drive epigenetic variation of spermatozoa in humans. Cell Metabol. 2016; 23: 369–378.

29. Dickson DA, Paulus JK, Mensah V, et al. Reduced levels of miRNAs 449 and 34 in sperm of mice and men exposed to early life stress. Transl. Psych. 2018; 8: 101.

30. Nilsson EE, Sadler-Riggleman I, Skinner MK. Environmentally induced epigenetic transgenerational inheritance of disease. Environ. Epigenet. 2018; 4: dvy016.

31. van Steenwyk G, Roszkowski M, Manuella F, et al. Transgenerational inheritance of behavioral and metabolic effects of paternal exposure to traumatic stress in early postnatal life: evidence in the 4th generation. Environ. Epigenet. 2018; 4: dvy023.

Zu Autor und Buch

Dr. rer. nat. Peter Spork, geboren 1965 in Frankfurt am Main, ist laut Deutschlandfunk nicht nur „einer der führenden deutschen Wissenschaftsautoren“ sondern auch „der Mann, der die Epigenetik populär machte“. Er studierte Biologie, Anthropologie und Psychologie in Marburg und Hamburg und arbeitet seit 1991 als Wissenschaftsjournalist. Spork ist Autor vieler Sachbücher, die in mehr als zehn Sprachen übersetzt wurden. Sein Buch „Der zweite Code“ ist das erste populärwissenschaftliche Sachbuch über Epigenetik. Sein aktueller Spiegel-Bestseller „Gesundheit ist kein Zufall“ war nominiert für das Wissensbuch des Jahres 2017 in Deutschland und das Wissenschaftsbuch des Jahres 2018 in Österreich. Zudem tritt Spork seit Jahren regelmäßig als Festredner, Keynote-Speaker oder Gesprächspartner im TV und Radio auf. Seit 2010 ist er Autor und Herausgeber des „Newsletter Epigenetik“, seit 2018 gibt er bei „Riffreporter“ sein eigenes Online-Magazin „Erbe&Umwelt“ heraus.

Autoren-Webseite: www.peter-spork.de

Newsletter Epigenetik: www.newsletter-epigenetik.de

Online-Magazin Erbe&Umwelt: www.riffreporter.de/erbe-umwelt-peter-spork/

Interessenkonflikt

Der Autor hat zwei populärwissenschaftliche Bücher über Epigenetik geschrieben, gibt den „Newsletter Epigenetik“ heraus und beschäftigt sich in seinem Online-Magazin „Erbe&Umwelt“ häufig mit Epigenetik. Alle diese Produkte sind redaktionell unabhängig. Außerdem hält er zahlreiche Vorträge zum Thema, die zum Teil von privaten Firmen auch aus dem Pharma-Bereich oder öffentlichen Institutionen wie Krankenkassen honoriert werden.

Dieser Text erschien zuerst in der Fachzeitschrift gyne.
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Dr. Peter Spork

Dr. Peter Spork

Seit 30 Jahren freier Wissenschaftsjournalist, Vortragsredner und Sachbuchautor, darunter der Spiegel-Bestseller Gesundheit ist kein Zufall und Der zweite Code. Sein aktuelles Buch Die Vermessung des Lebens ist das erste populärwissenschaftliche deutsche Sachbuch zur Systembiologie.


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