Epigenetik: Unter Epigenetik versteht man molekulare Mechanismen, die zu einem stärkeren oder schwächeren Ablesen von Genen führen, ohne dass die dort gespeicherte Information verändert wird. Dabei markieren Enzyme bestimmte Abschnitte der DNA. Der Eingriff betrifft nicht die Nukleotidsequenz des DNA-Strangs, sondern spielt sich „oberhalb“ von ihr ab – daher die Bezeichnung Epigenetik (von griechisch: epi = über). Zellen steuern so unter anderem, wann sie welche Proteine produzieren – und in welchen Mengen.

In den Zellkernen befinden sich Chromosomen. Diese bestehen aus langen DNA Ketten, die alle Erbinformationen, die Gene enthalten. Die DNA ist um Proteinbrocken gewickelt, den Histonen. Docken sich Methylgruppen (-CH3-Gruppen) an die DNA, so ziehen sich die Nukleotide dicht zusammen. Diese methylierten DNA Abschnitte können dann nicht mehr gelesen werden, d.h. die Gene auf diesem DNA-Abschnitt sind ausgeschaltet. Je nach Lebensstil ergibt sich eine andere DNA Methylierung. DNA Methylierungen können aktive Gene einfach abschalten und langfristig auch bei eineiigen Zwillingen (anhand eineiiger Zwillinge lassen sich Einflüsse auf das Erbgut gut untersuchen, da sie ja genetisch identisch sind) zu sichtbaren Veränderungen führen. Welche Gene aktiv sind oder nicht zeigt dabei ein Schaltplan, das sogenannte Übergenom (Epigenom). Durch das An-und Abschalten der Gene erreicht ein Chromoson vielfache Kombinationsmöglichkeiten, so entsteht eine zweite Informationsebene, das Epigenom).

Was aber verändert das Epigenom?

Den Hauptanteil trägt möglicherweise die Nahrung (Getränke, Lebensmittel, UV-Strahlung, das Rauchen, Kunststoffe die man berührt, Stresshormone ect.). Zur Untersuchung der Hypothese, dass Lebensstile die „Schalter“ steuern und das manche dieser erworbenen Schalterstellungen wahrscheinlich über mehrere Generationen vererbbar sind, dienten Belege einer historischen Katastrophe, die Hungersnot 1944 in Amsterdam.

Denn auffälligerweise entwickelten Kinder die zur damaligen Zeit mit einem niedrigen Gewicht geboren wurden, eine höhere Anfälligkeit für Krankheiten wie Typ 2 Diabetes oder Herz-Kreislauferkrankungen (man bezeichnet dies auch als umweltbedingte Programmierung von Erwachsenenerkrankungen). Dabei scheint es, dass die schwere Unterernährung in einer Art Zellgedächtnis bis ins Erwachsenenalter schlummert. Auch Tierversuche an genetisch identischen Tieren belegen die genetische Programmierung durch Ernährung (man kann bspweise durch eine erhöhte Zufuhr an Soja die Fellfarbe von Mäusen verändern, da die Hormone, die im Sojaprodukt enthalten sind, bewirken, dass das Gen, das für die Fellfarbe verantwortlich ist, verändert wird). Studien zeigen, dass auch Lebensmittel, die wir Menschen konsumieren die Gene ebenso stark beeinflussen.

Ein Beispiel liefert das Phänomen „asiatisches Paradox“. Obwohl es sich um eine hektische Gesellschaft handelt, gibt es dort weniger Krebserkrankungen. Das liegt am Konsum des grünen Tees, denn beim aufbrühen der nicht fermentierten Blätter, löst sich eine Naturchemikalie heraus, die auf ein Gen reagiert, welches im hohen Alter oft inaktiv wird (es löst die Methylgruppen des abgeschalteten Gens und schaltet es wieder an, dieses aktive Gen produziert einen körpereigenen Stoff, welches den Krebs bekämpft). Das heißt, dass jede Krankheit eine epigenetische Komponente haben könnte, denn alle Gene werden durch epigenetische Markierungen reguliert. Grund dafür ist die Zellteilung (Erneuerungsprozess), deren Materialien die Nahrung liefert. Somit sind Vitamin B12 oder auch Folsäure usw. unbedingt notwendig, um den Schaltplan bei der Zellteilung zu übertragen. Stehen die Bausteine bspweise im Mutterleib nicht zur Verfügung, werden Krankheiten oft vorprogrammiert (Bezug auf Bsp. Hungersnot 1944). Desweiteren entdeckte man bei Menschen mit geistigen Störungen wie Schizophrenie epigenitische Biomarker (die durch die Ernährung gebildet werden), die die Produktion eines Botenstoffes im Gehirn verhindern und somit die Krankheit auslösen können, d.h. ist eine Ernährung die sehr reich an Methylgruppen ist wichtig (z.B. Folat in Bohnen) damit die Enzyme die Methyl übertragen können aktiv bleiben.

Sollten sich all diese Untersuchungen bestätigen, bedeutet dies, dass nicht nur Gene sondern auch deren Schaltpläne von Generation zu Generation weitervererbt werden.

Prinzipiell gilt, dass die Nahrung sowie ihre Verpackung den Körper in den ersten Lebensmonaten dauerhaft programmiert. Dabei stellt Bisphenol A (Grundbaustein für Kunststoffe und Beschichtungen und somit in Babyflaschen bspweise vorhanden) ein Problem dar. Dieser Stoff löst sich v.a. beim Erhitzen in kleinen Mengen heraus. Bisphenol A ist zwar ungiftig aber aufgrund seiner Molekularform dockt er sich gern an Östrogenrezeptoren an, die dann aktiv werden und Gene anschalten können, die eigentlich ausgeschalten sein sollten. Wissenschaftliche Veröffentlichung bestätigen, dass schon kleinste Aufnahmen von Bisphenol A zu Veränderung bspweise im Rahmen der Pubertät führen (Bereich des Brustdrüsenwachstums, Größe der Gebärmutter z.B.). Da das künstliche Hormon Bisphenol A auch in Konserven vorhanden ist, könnte es auch eine lebenslange Fettleibigkeit verantwortlich sein (belegt durch Versuchen an Tieren).

Die Idee, dass dieser durch erworbene Ereignisse beeinflusste Schaltplan der Gene über mehrere Generationen hinweg weiterlebt werden kann, widerspricht auf den ersten Blick der klassischen Evolutionstheorie Darwins und unterstützt die längst überholte, widerlegte Lehre des Lamarck, ist aber bei genauerem Hinsehen ein „Motor“ der Evolution, da dieser Mechanismus schnellere Anpassungen ermöglicht.

Das größte Potenzial der Epigentik, ist aber die Untersuchung der Ursachen von Krankheiten, denn die Epigenetische Medizin (z.B. eine richtige Ernährung, darunter Superfood wie Avocados, Granatäpfel) in der Zukunft könnte Krankheiten behandeln die noch nicht ausgebrochen sind.

Die Epigenetik untersucht Änderungen der Genfunktion, welche nicht erblich bedingt sind beziehungsweise auf Mutationen beruhen, jedoch trotzdem an die Tochterzelle weitergegeben werden. Hierbei handelt es sich um Veränderungen an den Chromosomen, wobei Abschnitte oder das gesamte Chromosom verändert wird, die DNA-Sequenz jedoch gleich bleibt.

Es gibt derzeit drei bekannte Schalter, durch die diese Veränderungen vorgenommen werden: Methylierungen, Histonmodifikationen (Histonproteine beeinflussen die Transkription eines Gens) oder den beschleunigten Abbau der Telomere (= Enden der Chromosomen) (vgl.http://www.aerzteblatt.de/archiv/131610/Epigenetik-und-Ernaehrung-Folgenreiche-Fehlprogrammierung)

DNA-Methylierung ist eine chemische Abänderung der Grundbausteine der Erbsubstanz in der Zelle. Dabei docken kleine Moleküle (Methylgruppen aus einem Kohlenstoffatom und drei Wasserstoffatomen) an den DNA-Strang an und verhindern so, dass die nachfolgende Gensequenz abgelesen und in ein Protein übersetzt werden kann. So wird das Gen ausgeschaltet (vgl. http://www.planet-wissen.de/natur/forschung/epigenetik/).Diese Abänderung wird durch die Übertragung von Methylgruppen durch Enzyme auf Nukleobasen an bestimmten Stellen der DNA bewirkt.

Die Folgen der Methylierung zeigen sich bei der Regulierung der Genexpression: Methylierte Cytosine in der Promotorregion eines Gens führen zu seiner Inaktivierung und agieren somit als „Ausschalter“. Dieses Phänomen verhindert, dass alle Gene in einem Gewebe oder einer Zelle gleichzeitig exprimiert werden.

Da im Genom alle Cytosine in einem CG-Kontext bekannt sind (d.h. alle Cytosine, die vor einem Guanin liegen), lassen sich sowohl gewebe- als auch krankheitsspezifische Muster identifizieren. Sie ermöglichen die Diagnose von Erkrankungenzu einem sehr frühen Zeitpunkt und erlauben ihre molekulare Klassifizierung.

Zusammenfassend:

Ob Klima, Sport, Dauerstress, Gefühle, Hunger oder ständige Überernährung – Einflüsse aller Art können Säugetierzellen epigenetisch programmieren und ihre Funktionsweise dauerhaft verändern. Einmal programmiert, geben diese Zellen epigenetische Strukturen an ihre Tochterzellen weiter. Auf diese Weise kann eine früh erworbene Eigenschaft bis ins hohe Alter erhalten bleiben. Besonders sensibel auf Umwelteinflüsse reagiert der Mensch in Phasen der Organreifung, also im Mutterleib, nach der Geburt und in der frühen Kindheit. Bereits in utero findet ein umweltabhängiger Lernprozess statt, der vor allem die zentralen Regelinstanzen Gehirn und Genom prägt (vgl. http://www.aerzteblatt.de/archiv/131610/Epigenetik-und-Ernaehrung-Folgenreiche-Fehlprogrammierung).

Quellen:

BADENSCHIER, Franziska (2016): http://www.planet-wissen.de/natur/forschung/epigenetik/20.06.2016

HAHNE, Dorothee (2012): http://www.aerzteblatt.de/archiv/131610/Epigenetik-und-Ernaehrung-Folgenreiche-FehlprogrammierungKEGEL, Bernhard (2009): Epigenetik. Wie unsere Erfahrungen vererbt werden. Köln. 2009. S. 79-86.

Wie Nahrung unser Erbgut beeinflußt Dokumentation Epigenetik – Gefährliche Mahlzeiten.flv

Text: Patricia Jurekovic, 5HIA, HLMW9, 2015; Nina Singer, 5HIB, HLMW9, 2017;

Bild: Andjela Skokic, 2HKB, HLMW9, 2018