Epigenetik wissenschaftlich erklärt

Bist du an der wissenschaftlichen Seite der Epigenetik interessiert?

In diesem Artikel werden dir die Grundlagen aus wissenschaftlicher Sicht erklärt. Zum besseren Verständnis, ist ein Grundwissen über unser Genom sehr wichtig. Ein gutes Erklärvideo findest Du unter folgendem Link: https://www.youtube.com/watch?v=XmKNN5oePGo

Die Genexpression

Der Begriff „Genexpression“ beschreibt die Aktivität eines Gens. Hier sind zwei Vorgänge wichtig:

Transkription und Translation.

Transkription

Unter Transkription versteht man, dass ein Gen bzw. ein DNA-Abschnitt, in eine sogenannte mRNA (messengerRNA =Bote) abgeschrieben wird und als Bote mit Information für die Proteinsynthese fungiert. Es erfolgt anschließend ein Export der mRNA aus dem Zellkern in das Zytoplasma. 

Translation

Die mRNA wird von Ribosomen im Zytoplasma in ein Protein übersetzt. Dieser Vorgang heißt Translation.

Es ist absolut keine Übertreibung wenn man sagt, dass ohne Proteine in unserem Körper kein Stoffwechselvorgang mehr richtig laufen würde. Proteine sind zum Beispiel Antikörper, Muskeln, Bestandteile aller unserer Zellen und Organe oder gar Enzyme, die für jegliche Stoffwechselvorgänge von wichtigster Bedeutung sind.

Die epigenetische Regulierung der Genexpression

Das Epigenom besitzt molekulare Mechanismen, die zu einem schwächeren oder stärkeren Ablesen unserer Gene in unseren 30 Billionen Zellen oder gar zu einem Abschalten von Genabschnitten führen. 

Epigenetische Regulationen findet man bereits mit der Entwicklung einer befruchteten Eizelle, die Anpassung unseres Körpers an die Umgebung, Umwelt und Lebensstil sowie in fehlerhaften Aktivitäten von Genen, die bis hin zu einer Krankheit führen können.

Per Epigenetik gelingt es dem Zellkern unter dem Einfluss äußerer Faktoren sich zu regulieren, wann und in welchem Ausmaß welche Gene ein- und ausgeschaltet werden sollten. Diese epigenetischen Mechanismen erhöhen die Flexibilität der einzelnen Zellen, so dass sie flexibel auf äußere Faktoren reagieren können.

Generell gilt, dass zelltypspezifische epigenetische Unterschiede wesentlich stabiler und ausgeprägter sind, als Veränderungen, die durch exogene Faktoren (wie zum Beispiel Umwelteinflüsse oder gar Gefühle) entstehen.

Folgende epigenetische Mechanismen sind von großer Bedeutung:

DNA-Metyhlierung

Es sind Enzyme, zum Beispiel die sogenannte DNA-Methyltransferase, die bestimmte Abschnitte der DNA an der Base Cytosin markieren und so das Ablesen der Gene gesteuert wird. Diese Markierung verändert nicht die DNA-Sequenz, sondern es handelt sich um einen Eingriff „oberhalb“ bzw. „auf“ der DNA.

Unsere Zellen können durch diese Prozesse unter anderem die Proteinsynthese, also die Proteinproduktion unserer Zellen, steuern. Meist wird durch die Methylierung ein Genabschnitt „still“ gelegt.

Die „Markierung“ der DNA ist nicht der einzige epigenetische Regulationsmechanismus. 

Histon-Modifikation

Ein großer Teil (ca. 95 Prozent unserer DNA) ist „verpackt“, da sie um sogenannte Nukleosome (Histon-Protein-Komplexe) gewunden sind, und somit nicht frei zugänglich für Ableseprozesse ist. Aktive Genbereiche sind weniger „dicht verpackt“ und geben so den Enzymen, zum Beispiel der DNA-Polymerase, die Möglichkeit diesen DNA-Abschnitt abzulesen. Dieser Mechanismus wird durch chemische Modifikationen der oben genannten Histon-Proteine gesteuert.(1)

Micro-RNA

Ein dritter wichtiger epigenetischer Mechanismus neben der DNA-Methylierung und der Modifikation der Histone zur Regulierung der Genexpression sind sogenannte microRNAs (miRNAs). Durch eine mircoRNA wird, wie bei der Methylierung der DNA, eine Unterdrückung von Genen erreicht. Die Wirkung einer mircoRNA tritt erst ein, nachdem ein Gen bereits in mRNA abgeschrieben wurde. Durch die Bindung an eine bereits gebildete mRNA wird die entsprechende Übersetzung in ein Protein verhindert. Wenn die Basensequenz einer microRNA komplementär zu einer mRNA passt, findet eine Bindung statt. Dieser Mechanismus verhindert das Ablesen der mRNA von Ribosomen.

Die DNA-kodierenden Sequenzen für microRNAs liegen teilweise in den DNA-Abschnitten, die für „normale“ Proteine kodieren. Hieraus folgt, dass eine mRNA mit ihrer komplementär passenden microRNA abgeschrieben werden kann. 

Lange Zeit dachte man, das viele DNA-Abschnitte keine nützliche Information enthalten. Nun weiß man, dass diese Vermutung falsch war. Denn die meisten Codes für microRNAs liegen in DNA Sequenzen, die nicht für Proteine kodieren.

Schätzungen zufolge geht man davon aus, dass ca. 60% der Gene im menschlichen Genom durch microRNAs reguliert werden können. Je nach Gewebe und spezifischer Zelle werden spezielle microRNAs aus der DNA abgeschrieben und regulieren so die Physiologie des Körpers mit. (2)

Diese epigenetischen Markierungen, die sich auf die Genexpression - also in welcher Form unsere Gene abgelesen werden - auswirken, sind zu einem gewissen Grad reversibel.

Im Gegensatz zu echten Mutationen in der DNA sind epigenetische Modifikationen umkehrbar und können wieder gelöscht bzw. verändert werden.

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_{Studie 1: Kubicek et al., 2006: The role of histone modifications in epigenetic transitions during normal and perturbed development}

_{Studie 2: AmbrosV et al. 2007:The regulation of genes an genoms by small RNAs}