04 Epigenetik: wie Umwelt und Verhalten Gene steuern

Autor: Hellmuth Nordwig

Epigenetik: wie Umwelt und Verhalten Gene steuern

Lange Zeit interessierten sich Genetiker nur für unsere genetische Grundausstattung, das Genom. Was in den Genen geschrieben steht, ist aber nur von Interesse, wenn diese Gene auch genutzt werden. Und hier erweist sich unser Erbgut als hoch dynamisch.

Welchen Einfluss haben die Umwelt oder extreme Erlebnisse?

Es sind Umwelteinflüsse, die auf raffinierte Art die Aktivität der Gene steuern. Kleine chemische Veränderungen an den Genen sorgen dann dafür, dass diese an- oder abgeschaltet werden. Das beginnt bereits im Mutterleib: Was die Mutter isst oder trinkt, beeinflusst Stoffwechsel-Gene des Kindes und damit dessen spätere Gesundheit.

Einschneidende Erlebnisse wie Traumata verändern das Zusammenspiel der Gene ebenfalls, und diese Veränderung  kann sogar auf die folgenden Generationen übertragen werden. Auch bestimmte Krebskrankheiten gehen auf solche epigenetischen Veränderungen zurück; diese Erkenntnis bringt zugleich neue Behandlungsansätze.

Die Gene sind also nicht alles, und das heißt auch: Eingriffe in das Erbgut sind nur begrenzt wirksam.

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Sendung als Podcast

Download Funkkolleg Biologie und Ethik (04), MP3-Audioformat, 24:51 Min., 45.5 MB

Sendung in hr-iNFO: 18.11.2017, 11:30 Uhr

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Literatur-Empfehlungen zur Sendung

  • Heil, R., Seitz, S. B., König, H., Robienski, J. (Hrsg.): Epigenetik. Ethische, rechtliche und soziale Aspekte. Springer VS 2016. ISBN 9783658100360. Taschenbuch, 211 Seiten, 39,99 Euro

  • Spork, Peter: Der zweite Code. EPIGENETIK oder Wie wir unser Erbgut steuern können. Rowohlt 2010. 5. Auflage. ISBN 9783499624407. Taschenbuch, 304 Seiten, 9,99 Euro

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Zusatzmaterial

  1. Was ist Epigenetik?
  2. Pränatale Epigenetische Effekte
  3. Epigenetische Effekte durch Ernährung
  4. Epigenetische Effekte durch Stress
  5. Epigenetische Effekte durch Psychotherapie
  6. Epigenetische Effekte durch Sport
  7. Forschung
  8. Medizinische Anwendungen: Krebstherapie, Alzheimer, Diabetes etc.

Veranstaltungstipp

21. November 2017 | 19:00 Uhr | Campus Frankfurt-Bockenheim, Hörsaal H IV

Wenn Körperstoffe zur Wertsache werden“

Vortrag von Prof. Dr. phil. Petra Gehring (Institut für Philosophie, TU Darmstadt) im Rahmen der Reihe „Zukunft entdecken“ der Polytechnischen Gesellschaft

http://www.polytechnische.de/vortraege/termine-2017/21112017/

 

1. Was ist Epigenetik?

Verständlicher Einstieg ins Thema Epigenetik:

Badenschier F. (2016): Der Mensch ist mehr als die Summe seiner Gene (http://www.planet-wissen.de/natur/forschung/epigenetik/index.html)

Die Epigenetik beschreibt Mechanismen und Konsequenzen vererbbarer Modifikationen des Chromatins, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. Epigenetische Modifikationen beeinflussen die lokale Aktivität von Chromosomen. Sie basieren auf reversiblen Modifikationen von Histonen (z.B. Methylierungen, Acetylierung, Phosphorylierung, Ubiquitinierung, SUMOylierung) und DNA-Basen (primär die Methylierung von Cytosin in der Abfolge Cytosin-Guanin (CpG)).

Epigenetische Kontrollmechanismen werden durch regulatorische RNA-Moleküle (z.B. miRNA, siRNA, lncRNA) gesteuert. Epigenetische Mechanismen nehmen nachhaltigen, aber auch umkehrbaren Einfluss auf die Funktion und Regulation von Genen.

Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Ebene der DNA-Modifikation und des Chromatins sowie über die Ebene modifizierender Proteine.

Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dd/Epigenetic_mechanisms.jpg

Die Epigenetik und die Biene: Warum Königin und Arbeiterinnen gleiche Gene haben, jedoch abweichende Eigenschaften entwickeln

Die Epigenetik untersucht, wie die Umwelt das Genom beeinflusst und die Aktivität der Gene steuert. Besonders eindrucksvoll lässt sich das Phänomen der Epigenetik am Beispiel der Biene zeigen. Unter den vielen Umweltreizen ist Nahrung von zentraler Bedeutung.

Das Epigenom der Biene und die Aktivität vieler Gene werden durch das Gelée royale stark beeinflusst. Allein zukünftige Königinnen erhalten während ihres gesamten Lebens (vom Larven- bis zum Adultstadium) das Gelée royale. Larven, die mit Pollen gefüttert werden, entwickeln sich zu Arbeiterinnen. Auf molekularer, epigenetischer Ebene entscheiden Methylmarkierungen über das Schicksal der Larven.

Sind wir Gene oder Umwelt?

Die Max-Planck-Gesellschaft hat einen kurzen Lehrfilm mit anschaulicher Erklärung der epigenetischen Mechanismen veröffentlicht, der im Max-Planck-youtube-Kanal angesehen werden kann:

Ebenfalls von der Max-Planck-Gesellschaft stammt dieser vierseitige Flyer für Schüler zu den Grundlagen der Epigenetik:

https://www.max-wissen.de/67775/epigenetik

Ein ca. 45-minütiges Interview mit dem Wissenschaftspublizisten Dr. Peter Spork in einer ARD-alpha-Sendung kann hier eingesehen werden:

(http://www.ardmediathek.de/tv/alpha-Forum-ARD-alpha/Peter-Spork-Wissenschaftspublizist/ARD-alpha/Video-Podcast?bcastId=34399546&documentId=43421484)

Gut dargestellt wird das Thema auch in der Quarks & Co-Sendung des WDR (April 2017):

http://www1.wdr.de/fernsehen/quarks/sendungen/uebersicht-epigenetik-100.html

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2. Pränatale epigenetische Effekte: Prägung im Mutterleib?

Schon während der Schwangerschaft können Faktoren wie Stress, Ernährung, Einwirkung von Schadstoffen etc. einen heranwachsenden Organismus in Bezug auf seine späteren Eigenschaften und gesundheitliche Veranlagung stark prägen. Eine so erworbene Disposition kann später auch weitervererbt werden.

Jedoch ist nicht nur der mütterliche Einfluss relevant, und in diesem Nature-Artikel warnt eine Gruppe Wissenschaftler verschiedener Disziplinen entschieden davor, Mütter aufgrund der Fortschritte der epigenetischen Forschung für alles verantwortlich zu machen, was ihren Kindern später einmal widerfährt:

http://www.nature.com/news/society-don-t-blame-the-mothers-1.15693

Warum es nicht nur auf die Mütter ankommt

Fleischer, B. (2015): Genschnipsel in Spermien übertragen väterlichen Stress (http://www.spektrum.de/news/epigentischer-mechanismus-dingfest-gemacht/1372281)

„Die Frage Wie wurde ich zu der Person, die ich bin? enthält Spielraum zu Überlegungen bei der Primärprävention von Erkrankungen. Erörtert als Leitthema während der Jahresversammlung der Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina führte sie zum Konzept der Vegetativen Prägung als ein Ansatz für die Prävention des Metabolischen Syndroms. Die dazu von Andreas Plagemann entwickelten Thesen werden hier im Überblick vorgestellt. Sie enthalten ein mögliches Erklärungsmuster für die wachsenden Fallzahlen beim Metabolischen Syndrom weltweit, eine neue, spezifizierte Definition für Epigenetik und ein klares Votum für die Primärprävention“:

http://www.assmann-stiftung.de/epigenetik-als-impuls-fuer-die-primaerpraevention-des-metabolischen-syndroms-das-konzept-der-vegetativen-praegung-99/

Zum Weiterlesen hierzu:

  • Plagemann, A. (2014): Perinatale Programmierung, neuro-endokrine Epigenomik und präventive Medizin – Das Konzept der Vegetativen Prägung. In: Geist-Gehirn-Genom-Gesellschaft. Wie wurde ich zu der Person, die ich bin? Nova Acta Leopoldina NF 120, Nr. 405, 197-225

https://www.leopoldina.org/de/publikationen/detailansicht/publication/geist-gehirn-genom-gesellschaft/

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3. Epigenetische Effekte durch Ernährung – das Gedächtnis des Erbguts

Die Ernährung der Mutter hat einen starken Einfluss auf die Genaktivität, vor allem in der Schwangerschaft und in den ersten Lebenswochen. Sie stellt dabei auch die Weichen für das spätere Leben – für Gesundheit und Krankheit.

https://www.helmholtz-muenchen.de/ame/service/press-releases/press-release/article/37828/index.html

https://www.aerzteblatt.de/archiv/131610/Epigenetik-und-Ernaehrung-Folgenreiche-Fehlprogrammierung

Ausführlicher Radiobeitrag des Bayerischen Rundfunks: „Das Gedächtnis des Erbguts“ – Mütter geben an ihr Kind das Muster weiter, nach dem Zellen ihre Gene an- und abschalten (basierend auf der Forschung zu Auswirkungen von Hungerwintern des 20. Jahrhunderts):

http://www.br.de/radio/bayern2/sendungen/radiowissen/mensch-natur-umwelt/epigenetik-erbgut-vererbung100.html

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4. Epigenetische Effekte durch Stress: Wie wirkt Traumatisierung nach?

Video der Hector Fellow Academy: Axel Meyer und Thomas Elbert erforschen die epigenetischen Effekte von Stress auf Fische:

Stress und traumatische Erlebnisse können das Erbgut der Betroffenen epigenetisch markieren. Diese epigenetischen Modifikationen können aber auch an den Nachwuchs weitergegeben werden.

Weitere relevante Beiträge:

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5. Epigenetische Effekte durch Psychotherapie – Neue Behandlungsmethoden für die Psychologie?

Auch im Bereich der Psychologie kann der Blick auf die Epigenetik hilfreich sein, um durch die Kenntnis der wechselseitigen Effekte die Behandlungsmethoden bewerten und weiterentwickeln zu können.

Hierzu eine kurze Fachpublikation der Universitäten Heidelberg und Bremen:

https://www.zkpr.uni-bremen.de/fileadmin/user_upload/forschung/downloads/schmidt_petermann_schipper_2012-kue_21_4.pdf

Die Forschung zur Ermittlung der Wirksamkeit verschiedener Therapieformen erfordert fachübergreifende Studien, wie zum Beispiel die beim Max-Planck-Institut für Psychiatrie:

https://www.mpg.de/7793371/MPIP_JB_2014

Ein Interview zur Nützlichkeit der Epigenetik für die Psychotherapie findet man hier:

https://www.karger.com/Article/PDF/365121

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6. Epigenetische Effekte durch Sport – wir sind was wir tun

Sport wirkt sich auf den Körper wie auch auf die Gene aus und ist damit ein wichtiger Schlüssel für ein besseres Verständnis der Unterschiede zwischen Genotyp (durch die Gene vorgegebene Eigenschaften eines Organismus) und Phänotyp (äußeres Erscheinungsbild eines Organismus).

Durch körperliches Training werden durch Veränderungen des Azetylierungsstatus in den Muskeln und im Gehirn epigenetische Regulationen hervorgerufen, was sich positiv auf die Leistungsfähigkeit dieser Gewebe auswirken kann.

Auch weiß man bereits, dass körperliche Aktivität Methylierungsveränderungen an jenen Genen auslöst, die z. B. Tumorunterdrückung oder chronische Entzündungen regulieren:

http://www.zeitschrift-sportmedizin.de/artikel-online/archiv-2012/heft-6/epigenetik-und-sport

Das kurze Video von Quarks & Co. zum Thema fasst dies verständlich zusammen:

http://www1.wdr.de/fernsehen/quarks/epigenetik-sport-100.html

Das Experiment zeigt, wie Sport die Zellen verändert

Die dänische Wissenschaftlerin Malene Lindholm und ihre KollegInnen konnten mit einem einfachen Experiment beweisen, wie Sport die Zellen und damit den Stoffwechsel ihrer Probanden verändert hat. Hier gibt es eine Kurzzusammenfassung des Experiments und seiner Ergebnisse:

http://www.newsletter-epigenetik.de/wie-sport-die-zellen-veraendert/

Der Originalartikel, der 2014 in der Fachzeitschrift „Epigenetics“ veröffentlicht wurde, ist hier einsehbar (auf Englisch):

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4622000/

Ein ähnliches Ergebnis fand die Wissenschaftlerin Tina Rönn mit ihren KollegInnen im Jahr 2013:

http://www.newsletter-epigenetik.de/sport-veraendert-epigenom-von-fettzellen/

Wie geistige Leistungsfähigkeit vererbt wird

Dass Ausdauersport epigenetische Auswirkungen auf den Organismus hat, ist in den beiden vorangegangenen Studien deutlich geworden. Dass diese epigenetischen Prägungen kognitive Auswirkungen haben und auch vererbbar sein können, ergab die Studie der Wissenschaftlerin Eva Benito (et al.):

http://www.newsletter-epigenetik.de/wird-auch-geistige-leistungsfaehigkeit-epigenetisch-vererbt/

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7. Epigenetische Forschung

Die epigenetische Forschung ist eines der zentralen Themen des 21. Jahrhunderts, da sie neue Ansätze für das Verständnis genetischer Regulationen von Entwicklungs- und Erkrankungsprozessen liefert.

Die Epigenetik spielt bei Mensch, Tier und Pflanze eine bedeutende Rolle in der Steuerung der Entwicklungsprozesse, weshalb diesbezügliche Diagnostik und Therapie bereits feste Bausteine der Biomedizin sind.

Während bei Krebserkrankungen DNA-Methylierungs- und Chromatin-Veränderungen zu beobachten sind, spielen epigenetische Fehlsteuerungen bei der Entstehung immunologischer und neuronaler Erkrankungen sowie bei komplexen Entwicklungsstörungen eine große Rolle.

Einen Einblick in die Grundlagenforschung des Labors von Prof. Jenuwein am Freiburger Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik (https://www.ie-freiburg.mpg.de/de/jenuwein) gibt folgender Film. Fazit: Esst mehr methylgruppenreiche Kost.

Hierzu passend eine kompakte Übersicht über die Mechanismen, die bei der epigenetischen Steuerung aktiv sind, verfasst durch dieselbe Max-Planck-Arbeitsgruppe unter dem Titel „Vererbung ist mehr als die Summe der Gene“:

https://www.max-wissen.de/Fachwissen/show/5540

Da die epigenetische Forschung für den Gesundheitssektor sehr vielversprechende Erkenntnisse ergibt, wurde das International Human Epigenomics Consortium (IHEC) gegründet, welches als Knotenpunkt für vorhandene Daten fungiert und aktuelle Ergebnisse zusammenführt und zugänglich macht:

http://ihec-epigenomes.org/, http://ihec-epigenomes.org/why-epigenomics/video-clips/

Auch am Münchner Helmholtz Zentrum für Genetische Epidemiologie wird an epigenetischen Effekten und Entwicklungen geforscht. Ein Beispiel: Lebensstil beeinflusst den Stoffwechsel über verändertes Erbgut:

https://www.helmholtz-muenchen.de/ige/das-institut/aktuelles/aktuelles/article/22402/index.html

Ein besonders außergewöhnliches Forschungsprojekt ist die NASA Twin Study. Beliebte Forschungs-„Objekte“ sind eineiige Zwillinge. In diesem speziellen Fall bleibt ein Zwilling auf der Erde, der andere verbringt einige Zeit in einer Raumstation. Da dies für den Körper einen immensen Stress bedeutet, wird sich die DNA der beiden Probanden während des Weltraumaufenthaltes sehr unterschiedlich entwickeln.

https://www.nasa.gov/twins-study/research

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8. Medizinische Anwendungen: Krebstherapie, Alzheimer, Diabetes, etc.

Krebs und Epigenetik

Für die Krebstherapie sind die Fortschritte in der epigenetischen Forschung äußerst wertvoll, da z.B. aufgrund epigenetischer Muster oftmals schon entschieden werden kann, ob eine bestimmte Therapie Erfolg verspricht, oder sich Voraussagen über den weiteren Verlauf der Krankheit treffen lassen.

Der Grundgedanke der Krebs-Epigenetik ist es, die „bösen“ Gene (also jene, die Krebszellen und damit Tumore wachsen lassen) auszuschalten und die „guten“ Gene (Tumorsuppressorgene, die die Zellteilung verhindern oder den „Zell-Selbstmord“ einleiten) zu aktivieren.

Der Mensch: 200 verschiedene Zellarten – mit demselben Ergbut

Vortrag von Prof. Dr. Christoph Plass, Deutsches Krebsforschungszentrum, im Rahmen der Vortragsreihe „Krebsforschung aktuell“ am 21.02.2014

200 verschiedene Zellarten gibt es im menschlichen Körper. Alle entwickeln sich aus derselben befruchteten Eizelle und besitzen daher dasselbe Erbgut. Dass sie trotzdem so unterschiedlich aussehen, liegt daran, dass in ihnen unterschiedliche Programme ablaufen: Winzige Markierungen auf der Erbsubstanz bestimmen darüber, welche Gene in Proteine übersetzt werden und welche nicht.

Daher kann eine Nervenzelle Botschaften weiterleiten, eine Muskelzelle zieht sich zusammen, und die Leberzelle speichert Glukose. Auch in Krebszellen sind spezifische Programme aktiv, die dafür sorgen, dass sich die Zellen ungebremst teilen und im Körper ausbreiten können.

Epigenetik in der Krebstherapie: Azacitidin – das erste zugelassene epigenetische Medikament überhaupt.

Quarks & Co-Sendung aus der ARD-Mediathek:

http://www.ardmediathek.de/tv/Quarks/Mit-epigenetischen-Medikamenten-gegen-/WDR-Fernsehen/Video?bcastId=7450356&documentId=36269054

Alzheimer und Epigenetik

Die Alzheimer-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung, die zu Symptomen von Demenz führt. Das folgende Video zeigt eindrucksvoll, wie die Alzheimer-Krankheit entsteht.

Das epigenetische Medikament Vorinostat (Histon-Deacetylase-Inhibitor) ist ein vielversprechendes Mittel zur Behandlung von Alzheimer. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das Medikament Lern- und Gedächtnisprobleme bei Mäusen lindert.

Der nächste Schritt wäre eine Untersuchung der Wirkung von Vorinostat bei Alzheimer-Patienten. Die Studie zur Wirksamkeit von Vorinostat siehe: Benito, E et al. (2015). HDAC inhibitor–dependent transcriptome and memory reinstatement in cognitive decline models. J Clin Invest. 125 (9): 3572-3584. (https://doi.org/10.1172/JCI79942)

Weiterführende Literatur:

Diabetes mellitus und Epigenetik

Diabetes mellitus, umgangssprachlich auch Zuckerkrankheit genannt, ist eine chronische Stoffwechselerkrankung, die zu einem erhöhten Blutzuckerspiegel führt. Die beiden wichtigsten Formen sind der Typ-1- und der Typ-2-Diabetes. Wie Diabetes entsteht und wie die Hormone Insulin und Glukagon den Blutzuckerspiegel beeinflussen, sehen Sie im folgenden Video.

Der niederländische Hungerwinter aus dem Jahre 1944/1945 ist ein gut dokumentiertes Beispiel für epigenetische Mechanismen und deren physiologische Auswirkungen. Als Reaktion auf einen Streik der Eisenbahner, die die Alliierten unterstützen wollten, verhängten die deutschen Besatzer ein Lebensmittelembargo. Die tägliche Energiezufuhr betrug ca. 400-800 Kalorien pro Kopf.

Das hatte gravierende Folgen für die ausgetragenen Kinder. Sie zeigten aufgrund der Unterversorgung der Mutter ein erhöhtes Risiko für Fettleibigkeit, Herzkreislauferkrankungen und Typ-2-Diabetes. Die veränderte Versorgung des Fötus im Mutterleib kann daher ein erhöhtes Risiko für Krankheiten nach sich ziehen.

Forscher haben im Tiermodell nachgewiesen, dass eine Unterversorgung mit Nährstoffen sowie eine fett- und kalorienreiche Diät während der Schwangerschaft zu einem erhöhten Krankheitsrisiko (der Nachkommenschaft) führt. Aber nicht nur die mütterliche Ernährung beeinflusst die Physiologie des heranwachsenden Embryos. Auch die Ernährung des Vaters spielt eine maßgebliche Rolle für mögliche Stoffwechselerkrankungen der Nachkommenschaft.

Weiterführende Literatur:


Aktueller Foschungsstand zur epigenetischen Diabetestherapie
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Zusatzmaterialien als PDF zum Herunterladen

Die Materialien wurden zum Zugriffszeitpunkt 15.11.2017 erstellt von:
Volker Mosbrugger, Petra Gehring, Sybille Roller, Francesco Lupusella, Rebecca Spitzenberger, Julia Krohmer