Epigenetik

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Epigenetische Mechanismen (DNA-Methylierung), Quelle: National Institutes of Health.

Die Epigenetik (altgr. ἐπί epi ‚dazu‘, ‚außerdem‘ und Genetik) ist ein Teilgebiet der Biologie, das untersucht, welche zusätzlichen nicht genetischen Faktoren die Genexpression und damit die Entwicklung der Zelle bestimmen. Sie untersucht dabei Änderungen der Genfunktion, die nicht auf Mutation beruhen und dennoch an Tochterzellen weitergegeben werden. Der Begriff wurde schon 1942 von Conrad Hal Waddington geprägt, als die Struktur der DNA noch unbekannt war und ganz allgemein definiert als „the branch of biology which studies the causal interactions between genes and their products which bring the phenotype into being“ („der Zweig der Biologie, der die kausalen Wechselwirkungen zwischen Genen und ihren Produkten, die den Phänotyp hervorbringen, untersucht“).

„Epigenetik umschreibt die Metaebene genetischer Regulation: Einen lange von der Forschung übersehenen Mechanismus mit vielschichtigen Konsequenzen. Denn per Epigenetik gelingt es dem Zellkern unter dem Einfluss äußerer Faktoren zu regulieren, wann und in welchem Ausmaß welche Gene ein- und ausgeschaltet werden. Somit erhöhen epigenetische Mechanismen die Flexibilität des immer gleichen Erbguts der unterschiedlichsten Zellen: Wie Haut-, Herz- oder Darmwandzellen ihre identischen DNA-Sequenzen einsetzen, kann unter epigenetischer Regulation auch von Umweltfaktoren abhängen...

Im biochemischen Detail beeinflussen epigenetische Regulatoren dabei unter anderem, wie eng verpackt - und damit zugänglich - einzelne Genombereiche vorliegen. Geregelt wird der Zugriff zunächst durch das Anheften oder Ablösen kleiner chemischer Gruppen. Das so modifizierbare Markierungsmuster des Genoms wird dann von Spezialenzymen gelesen, die weitere Schritte einleiten und zum Beispiel Gene an- oder eben ausschalten...

In der Konsequenz stößt die Epigenetik ein lang gehegtes Dogma der Biologie um: die Idee, dass die Eigenschaften eines Organismus durch das bei der Geburt vererbte Genmaterial unveränderbar bestimmt wird. Tatsächlich erlaubt die Epigenetik selbst subtilen Umweltveränderungen den Zugriff auf unser Erbgut - neue Forschung zeigt, das die Entstehung von Krankheiten oder die Veränderung von Persönlichkeitsmerkmalen epigenetisch beeinflusst sein können...“

Spektrum Kompakt: Epigenetik: Wie die Umwelt unser Erbgut beeinflusst, S. 7[1]

Zur Abgrenzung vom allgemeineren Konzept der Genregulation sind heutige Definitionen meist spezieller, zum Beispiel: „Der Begriff Epigenetik definiert alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst codiert sind.“[2] Andere Definitionen, wie die von Adrian Peter Bird, einem der Pioniere der Epigenetik, vermeiden die Einschränkung auf generationsübergreifende Weitergabe[3]. Epigenetik beschreibe „die strukturelle Anpassung chromosomaler Regionen, um veränderte Zustände der Aktivierung zu kodieren, zu signalisieren, oder zu konservieren.“[4]

Grundlage der Epigenetik sind Veränderungen an den Chromosomen, wodurch Abschnitte oder ganze Chromosomen in ihrer Aktivität beeinflusst werden. Man spricht auch von epigenetischer Veränderung bzw. epigenetischer Prägung.[5] Die DNA-Sequenz wird dabei jedoch nicht verändert. Die Veränderungen können in einer DNA-Methylierung, in einer Modifikation der Histone oder im beschleunigten Abbau von Telomeren bestehen. Diese Veränderungen lassen sich im Phänotyp, aber nicht im Genotyp (DNA-Sequenz) beobachten.[6]

Die Gesamtheit aller epigenetischen Modifikationen wird als Epigenom bezeichnet und kann in bestimmten Fällen über transgenerationelle epigenetische Vererbung an die Nachkommenschaft weitergegeben werden. Da das Epigenom teils auch durch Umwelteinflüsse und erlernte Verhaltensweisen dynamisch verändert wird, können entgegen dem seit August Weismann gepflegten Dogma der Genetik auch gewisse vom Einzellebewesen erworbene Eigenschaften vererbt werden - womit die Weismann-Barriere durchbrochen scheint und der Lamarckismus in verjüngter Gestalt wieder an die Türe pocht. Zwillingsstudien haben allerdings auch gezeigt, dass epigenetische Markierungen instabil sind und sich mit zunehmendem Alter verändern, weshalb Zwillinge sich im späteren Leben oft immer deutlicher voneinander unterscheiden, namentlich auch bezüglich ihrer Krankheitsanfälligkeit.

Siehe auch

Literatur

  • Pilar Cubas, Coral Vincent, Enrico Coen: An epigenetic mutation responsible for natural variation in floral symmetry, in: Nature, Vol. 401, 9. September 1999 doi:10.1038/43657 pdf
  • Bruce Alberts et al.: Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2017, ISBN 978-3527340729, eBook ISBN 978-3527698455
  • Olaf Schmidt: Genetik und Molekularbiologie, Springer Spektrum 2017, ISBN 978-3662502730, eBook ASIN B06XCY3964
  • Rolf Knippers: Eine kurze Geschichte der Genetik, Springer Verlag 2017, ISBN 978-3662535547, eBook ASIN B01N7WJKGB
  • Rolf Knippers: Molekulare Genetik, 11. Auflage, Thieme-Verlag 2018, ISBN 978-3132426375, eBook ASIN B07G74CX54
  • Lyle Armstrong: Epigenetics, Taylor & Francis 2013, ISBN 978-0815365112, eBook ASIN B00GU30IOY
  • C. David Allis, Marie-Laure Caparros, Thomas Jenuwein, Danny Reinberg, Monika Lachner: Epigenetics, 2nd Revised ed, Cold Spring Harbor Laboratory Press 2015, ISBN 978-1936113590
  • Eva Jablonka: Epigenetic Inheritance and Evolution: The Lamarckian Dimension, Oxford University Press 1995, ISBN 978-0198540625
  • Eva Jablonka, Marion J. Lamb: Evolution in vier Dimensionen: Wie Genetik, Epigenetik, Verhalten und Symbole die Geschichte des Lebens prägen, S. Hirzel Verlag 2017, ISBN 978-3777626260
    • englisch: Evolution in Four Dimensions: Genetic, Epigenetic, Behavioral, and Symbolic Variation in the History of Life, 2nd Revised edition, MIT Press 2014, ISBN 978-0262525848, eBook ASIN B00JAUFIGM
  • Peter Spork: Der zweite Code: EPIGENETIK oder Wie wir unser Erbgut steuern können, Rowohlt Taschenbuch 2014, ISBN 978-3499624407, eBook ASIN B0058GUZCY
  • Bernhard Kegel: Epigenetik: Wie unsere Erfahrungen vererbt werden, DuMont Buchverlag 2018, ISBN 978-3832163181, eBook ASIN B00BI72VV0
  • Hendrik Lehnert, Henriette Kirchner, Ina Kirmes, Ralf Dahm: Epigenetik – Grundlagen und klinische Bedeutung: Aus der Vortragsreihe der Medizinischen Gesellschaft Mainz e.V., Springer-Verlag 2018, ISBN 978-3662540220, eBook ASIN B07DQQJJYD
  • Peter Heusser: Anthroposophie und Wissenschaft: Eine Einführung. Erkenntniswissenschaft, Physik, Chemie, Genetik, Biologie, Neurobiologie, Psychologie, Philosophie des Geistes, Anthropologie, Anthroposophie, Medizin, Verlag am Goetheanum, Dornach 2016, ISBN 978-3723515686

Einzelnachweise

  1. Spektrum Kompakt - Epigenetik: Wie die Umwelt unser Erbgut beeinflusst, Spektrum der Wissenschaft, 26. August 2015, eBook ISBN 978-3958920095
  2. „The term epigenetics defines all meiotically and mitotically heritable changes in gene expression that are not coded in the DNA sequence itself.“ In: Gerda Egger et al.: Epigenetics in human disease and prospects for epigenetic therapy. Nature 429, S. 457–463 (2004)
  3. Rudolf Jaenisch, Adrian Bird: Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals, in: Nature Genetics Supplement Volume 33, March 2003, PP. 245-254 doi:10.1038/ng1089 pdf
  4. „... the structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states.“ In: Adrian Peter Bird: Perceptions of epigenetics. In: Nature. Band 447, Nummer 7143, Mai 2007, S. 396–398, doi:10.1038/nature05913, PMID 17522671 pdf
  5. Rudolf Hagemann: Epigenetik und Lamarckismus haben nichts gemeinsam! In: Laborjournal 4/2009; S. 12
  6. Benjamin Lewin: Gene. Lehrbuch der molekularen Genetik, 2. Auflage, VCH, Weinheim 1991, S. 885


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