Gene, Genetik, Epigenetik

Unterschiede zwischen eineiigen Zwillingen, Probleme beim Klonen, Autismus, unbefruchtete Empfängnis, Krebs, Evolution. Bei all diesen Dingen soll die ominöse „Epigenetik“ ihre Finger im Spiel haben. Aber was ist das eigentlich? The epigenetics revolution von Nessa Carey aus dem Jahr 2011 sowie zwei deutsche Bücher versprechen Aufklärung.

epigeneticsrevolution

Wenn man im Netz ein bisschen zum Thema Epigenetik stöbert, bekommt man schnell den Eindruck, das sei irgendetwas Magisches, das aber die ganze Biologie – und vor allem die Darwinsche Evolutionstheorie – umkrempeln würde. Nessa Carey erklärt uns, dass Epigenetik etwas sehr Konkretes ist. Die Gene im Zellkern bestehen ja aus einer bestimmten DNA-Sequenz, die in RNA und schließlich oft in ein Protein übersetzt wird. Die Proteine sind die Akteure in einer Zelle, die für chemische Reaktionen oder formgebende Strukturen und den ganzen Rest zuständig sind. Für die Zelle ist es wichtig, wieviel von einem bestimmten Protein da ist. Und das lässt sich bereits regulieren, in dem man kontrolliert, wie oft die DNA in RNA übersetzt wird.

Epigenetische Effekte tun das unter anderem, indem die DNA des Gens chemisch modifiziert wird: Ein Methylrest wird an eine DNA-Base angehängt. Das führt im Endeffekt dazu, dass das Gen nur noch selten oder gar nicht mehr abgelesen wird. Ein anderer epigenetischer Mechanismus betrifft die Verpackung der DNA. DNA ist um Proteine herumgewickelt. Ist sie an einer bestimmten Stelle besonders stark an die Proteine gebunden, kann sie nicht mehr abgelesen werden. Ist das ganze eher locker, findet mehr Genexpression statt. Die Verpackungsproteine können ähnlich wie die DNA modifiziert werden und das ändert die Stärke der Bindung. Wenn die DNA repliziert wird und eine Zelle sich teilt, können diese epigenetischen Modifikation auch an die Tochterzelle vererbt werden.

Epigenetik bestimmt also, wie stark Gene abgelesen werden und im Endeffekt wie viel entsprechendes Protein gebildet wird. Und weil Proteine eben zu den wichtigsten Akteuren in einer Zelle zählen und in allen biologischen Prozessen eine Rolle spielen, ist es nicht verwunderlich, dass auch epigenetische Effekte in eben diesen Vorgängen wichtig sind.

Zum Beispiel beim Wachstum eines Embryos. Warum gibt es eigentlich keine unbefleckte Empfängnis? Frauen könnten es doch einfach lassen, ihr genetisches Material zu halbieren und stattdessen eine Eizelle mit ihrem kompletten Genom zu einem Menschen heranwachsen lassen. Das geht aber nicht, weil es wichtig ist, woher die Chromosomen kommen. Nämlich von Mutter und Vater. Bestimmte Gene, die auf Chromosomen von der Mutter sitzen, werden im Embryo nicht aktiv, während die gleichen Gene väterlicherseits sehr stark zur Ausprägung kommen. (Bei anderen Genen kann es auch genau andersherum sein.) Kommen nun aber beide Genkopien von der Mutter, wird keine Kopie davon aktiv und das führt zum Tod des Embryos.

Ein DNA-Strang, an den zwei Methylreste angehängt sind. Das führt zu deutlich geringerer Genexpression. (Christoph Bock, CC BY-SA 3.0)

Nessa Carey erklärt, dass etwa hundert Gene im Menschen derart „geprägt“ sind, das Phänomen nennt sich Imprinting. Molekular funktioniert das, indem die DNA dieser Gene chemisch mit dem oben erwähnten Methylrest modifiziert wird, sodass sie nicht abgelesen wird. Und warum werden Gene geprägt? Das liegt am Kampf der Geschlechter, der hier auf molekularer Ebene stattfindet. Für den Mann (bzw. seine Gene) wäre es vorteilhaft, wenn die Frau so viel Energie wie möglich in den Embryo steckt, auch wenn es sie vielleicht schwächt. Wer weiß schon, ob der Mann mit dieser Frau je wieder Nachkommen zeugt. Für die Frau (bzw. ihre Gene) ist das aber alles andere als vorteilhaft. Sie möchte nicht mehr Energie als nötig in den Nachwuchs stecken, denn sie will ja auch später möglicherweise noch für Nachwuchs sorgen können.

Deshalb werden Gene, die für starkes Wachstum des Embryos sorgen und viel Energie von der Mutter verbrauchen, hauptsächlich aktiv, wenn sie vom Vater stammen. Um diesen Effekt abzufedern, werden dieselben Gene von der Mutter stillgelegt. Wenn man Mäuse so modifiziert, dass zwei Kopien dieser Gene ausschließlich vom Vater kommen, wird der Nachwuchs deutlich größer – kommen beide Kopien von der Mutter, ist es umgekehrt. (Wenn ich mich nicht täusche, hat Richard Dawkins bereits 1976 in Das egoistische Gen einen solchen Geschlechterkampf vorhergesagt.)

Epigenetische Mechanismen steuern also die Aktivität der Gene. Und diese Aktivierung oder Stilllegung bestimmter Gene kann im Laufe der Entwicklung an Zellen vererbt werden. Leberzellen brauchen die Aktivität anderer Gene als Neuronen. Deshalb werden in Leberzellen und deren Vorläuferzellen andere Gene aktiviert und stillgelegt als in den Nervenzellen.

Bei ihr konnten die epigenetischen Veränderungen rückgängig gemacht werden: das erste geklonte Schaf Dolly. (Maltesedog; gemeinfrei)

Das führt aber auch zu einem Problem. Es macht die Technik des Klonens schwierig und ineffizient. Beim Klonen nimmt man den Zellkern einer normalen Körperzelle und bringt ihn in eine Eizelle, deren Zellkern man vorher entfernt hat. Daraus geht aber nicht immer ein lebensfähiger Embryo hervor, weil die DNA des Spenderzellkerns epigenetisch so modifiziert war, dass andere Gene aktiv oder stillgelegt sind als es in einer befruchteten Eizelle der Fall wäre und sein müsste. Die Eizelle ist manchmal fähig, diese epigenetischen Modifikationen rückgängig zu machen. Aber eben nicht immer oder nicht komplett. Vermutlich deshalb gehen aus dem Klonen nicht immer lebensfähige Embryos hervor oder die entstehenden Tiere sind nicht so gesund wie ihre nicht geklonten Artgenossen.

Carey macht außerdem klar, dass bei epigenetischen Mechanismen auch etwas schief gehen kann. Wenn die falschen Gene inaktiviert werden, kann es z. B. zu Krebs kommen. Es gibt Gene, die als Bremsen beim Zellwachstum wirken: die Tumorsuppressorgene. Wird ihre Expression gehemmt, fördert dies übermäßiges Zellwachstum und Tumorbildung. Erste Medikamente, die Krebs über epigenetische Mechanismen bekämpfen, sind bereits auf dem Markt. (Beim Rett-Syndrom, einer Krankheit mit Autismus-ähnlichen Symptomen, können epigenetische Modifikationen nicht mehr richtig gelesen werden, weil ein Protein, das die methylierte DNA erkennen sollte, mutiert ist. Wie Adrian Bird herausgefunden hat, ist die Krankheit reversibel – zumindest in Mäusen. Das ist eine echt coole Story!)

Und was ist jetzt mit Evolution? Im Internet liest man mitunter, dass Darwin wieder durch Lamarck abgelöst wird. Man konnte beobachten, dass epigenetische Modifikationen an die Nachkommen – und mitunter auch an deren Nachkommen – weitergegeben wurden. Transgenerationale Epigenetik. Die Vererbung erworbener Eigenschaften. Carey geht nicht besonders ausführlich auf die Auswirkungen der Epigenetik auf die Evolutionstheorie ein. Vermutlich weil die Auswirkungen sehr gering sind. Epigenetische Modifikationen werden nämlich überwiegend entfernt, bevor ein Spermium oder Ei gebildet wird und nochmals nachdem die beiden verschmolzen sind. Einige Modifikation, u.a. die geprägten Regionen, bleiben aber erhalten. Zudem ist die längste Generationenfolge, die für eine epigenetische, transgenerationale Vererbung im Labor beobachtet werden konnte, gerade mal vier Generationen. Das ist auf einer evolutionären Zeitskala ein Wimpernschlag. Dementsprechend kann die Epigenetik nur schwer für dauerhafte Anpassungen oder gar die Entstehung komplexer Merkmale verantwortlich sein.

Und die ganze Aufregung um die Erkenntnis „Die Umwelt beeinflusst unser Gene“ verstehe ich auch nicht so recht. Dafür braucht es doch keine Epigenetik. Das wissen Biologen schon eine ganze Weile. Die Umwelt beeinflusst nämlich nicht nur die Genexpression von uns, sondern auch von Bakterien. Bakterien produzieren z. B. nur Proteine zum Verstoffwechseln der Lactose, wenn auch Lactose da ist, weil das clever und sparsam ist. Das Phänomen nennt sich differentielle Genexpression, hat nichts mit dem zu tun, was man normalerweise unter Epigenetik versteht, und ist in diesem Artikel genauer erklärt. Epigenetik ist also nur ein zusätzlicher Mechanismus, mit dem ein Organismus auf die Umwelt reagieren kann.

Nessa Careys Buch beschreibt das Feld der Epigenetik sehr anschaulich und nicht übertrieben reißerisch. Hervorragend fand ich, dass mal jemand häufiger Illustrationen nutzt, um Experimente und Sachverhalte zu erklären. Das Buch berichtet von wirklich aktueller Wissenschaft und einem Bereich, bei dem noch viele offene Fragen bestehen. Man erhält einen tollen Einblick, wie moderne Biologie arbeitet und zu was sie alles in der Lage ist. Ich habe jedenfalls viel gelernt und mir wurde einiges klarer.

epigenetikdeutsch

Die Alternativen auf deutsch.

Es gibt auch deutschsprachige Alternativen: Epigenetik von Bernhard Kegel und Der zweite Code von Peter Spork. Es ist schon einige Jahre her, dass ich die beiden Bücher gelesen habe… Kegels Buch ist mir in guter Erinnerung geblieben, während ich Sporks Buch zu spekulativ fand. Da waren einige Aussagen nicht durch Belege gedeckt. Dementsprechend würde ich eher zu Epigenetik raten!

(Sorry für diesen gar so langen Artikel, aber das Thema war so interessant, dass ich nicht stillhalten konnte. Der nächste wird wieder kürzer 🙂 )

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6 Kommentare

  1. Wirklich super erklärt! Und die Länge deines Artikels ist perfekt. Mir hat es Spaß gemacht, ihn zu lesen. Im übrigen stegt das Buch von Bernhard Kegel schon länger auf meiner Wunschliste.
    Gruß Petra

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  2. Cool, dass es Dir gefallen hat! Freut mich echt! Und Kegels Buch hat mir damals wirklich gefallen. Kann mich nur nicht mehr an viel Konkretes erinnern, aber ich glaube, da machst Du keinen Griff ins Klo 😉

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  3. Der Text ist nicht zu lang, man merkt ihm Deine Begeisterung an! Ich hinke der Epigenik etwas hinterher und stecke mit „Genom, Alphabet des Lebens“ von Matt Ridley noch in den Kinderschuhen. Ein ganz klein wenig in das Thema reinschnuppern konnte ich mit dem Buch „Warum wir krank werden, Antworten aus der Evolutinsmedizin“ von Nesse und Williams, sodass ich jetzt ziemlich neugierig geworden bin. Danke für die Vorstellung!

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  4. Ich hab „Genome“ von Ridley vor ein paar Jahren gelesen. Hat mir gut gefallen. Ist natürlich nicht mehr ganz neu, weil’s rauskam, kurz nachdem das Humane Genomprojekt abgeschlossen wurde. Beim Menschen ist es ja so, dass nur 2% der DNA wirklich für Proteine codiert, auf die Ridley überwiegend eingeht. Der Rest sind irgendwelche repetitiven Sequenzen, Transposons, Überbleibsel von Retroviren etc. Irgendwann hat sich der Begriff „Junk-DNA“, also Müll-DNA, dafür eingebürgert, weil sie für nichts gut zu sein scheint. Die Vorstellung ändert sich immer mehr. Ende des Jahres kommt das Buch „Junk-DNA“ von der Autorin des hier vorgestellten Buches raus – das werde ich mir definitiv mal zu Gemüte führen 🙂

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