Gleich und doch anders

Epigenetik ist, wenn trotz gleichen Erbgutes verschiedene Zellen entstehen.

Das Erbgut (die DNS) in (fast) jeder Zelle des Körpers besteht aus vier elementaren Bausteinen (den Basen), die in einer bestimmten Sequenz angeordnet sind. Manche Sequenzabschnitte codieren dabei für Eiweißmoleküle (Proteine), die Grundbausteine des Lebens. Und das ist eigentlich schon alles was passiert: mit Hilfe des Erbgutes werden immer wieder Proteine produziert. Doch ja, Sie haben Recht, das hilft wenig weiter. Das ist ungefähr so, als wenn Sie zwar wissen, dass es im Baumarkt alle Teile für Ihr neues Regal zu kaufen gibt, aber diese speziellen Winkel in der hintersten Ecke versteckt sind. Es hilft auch wenig weiter, wenn man weiß, dass jede Taste am Klavier für einen bestimmten Ton steht. Man muss trotzdem immer noch den richtigen Ton zur richtigen Zeit mit der richtigen Betonung spielen, um am Ende eine Melodie zu erhalten.
Hier liegt das eigentliche Geheimnis: Der menschliche Körper hat einen Mechanismus, mit dem er die Klaviatur des Erbgutes bespielen kann – und zwar nicht unkoordiniert durcheinander, sondern so, dass die Töne mit der richtigen Betonung zur richtigen Zeit „gespielt“ werden. So entwickeln sich aus einer befruchteten Eizelle nicht ein Zellhaufen weiterer Zellen, sondern irgendwann spezialisierte Leberzellen, Netzhautzellen oder Hautzellen. Dieser Mechanismus heißt Epigenetik.
Epigenetik ist die Bedienungsanleitung für das Genom, sie ist der Verkäufer im Baumarkt, der die richtigen Teile heraussucht, oder das Notenblatt, von dem die Zelle abliest, welche Melodie heute gespielt werden soll. Und so wie man sich im Baumarkt nicht immer perfekt beraten fühlt und dann doch die falschen Winkel mit nach Hause nimmt, können sich auch in den epigenetischen Mechanismen Fehler in der Nutzung des Erbgutes einschleichen. Mit teilweise großen Auswirkungen, denn es können Krankheiten entstehen. Die gute Nachricht ist, dass Sie, so wie Sie den Verkäufer zum Umtausch der Winkel bewegen können, auch einige Möglichkeiten haben, Ihr Epigenom – also die Nutzung der eigenen Gene – positiv zu beeinflussen.

Epigenetik

EIN GENOTYP - VERSCHIEDENE PHÄNOTYPEN

Epigenetik ist, wenn der Bauplan des Lebens zu verschiedenen Ergebnissen führen kann.

In einem Individuum trägt jede Zelle das gleiche Erbgut (Genotyp). Das ist der Fall bei Ihnen, bei jedem einzelnen Menschen, jedem Tiere und jeder Pflanze. Das Erbgut in der Zelle ist verantwortlich für die Produktion von Proteinen als Bausteinen des Lebens. Welche Proteine wann produziert werden, unterliegt der epigenetischen Regulation - und davon hängt ab, wie die Zelle am Ende aussieht und wie in der Summe insgesamt das ganze Lebewesen aussieht. Dass Lebewesen nicht nur lose Zellhaufen sind, liegt an der unterschiedlichen Nutzung der Gene in verschiedenen Zelltypen - dem zelltyp-spezifischen Epigenom.
Dabei kann die Nutzung der Gene in einem zeitlich fest vorgegebenen Ablauf erfolgen - das ermöglicht die Entwicklung und das Wachstum des Embryos, aber auch Wandlungsvorgänge wie die Metamorphose des Schmetterlings. Verschiedene Zellarten entstehen, so dass sie z.B. spezialisierte Herz-, Haut- und Nierenzellen haben (Phänotyp).
Die Nutzung der Gene kann dabei aber auch zu jedem Zeitpunkt des Lebens von der Umwelt beeinflusst werden - von körperinneren und äußeren Faktoren. Die Melodie der eigenen Zellen kann somit beeinflusst werden, und diese können wir in ihrem harmonischen Spiel unterstützen.

Epigenetik
Bild: Andrea Danti – stock.adobe.com

ZWEI WIE AUS DEM EI GEPELLT

Epigenetik ist, wenn eineiige Zwillinge sich im Laufe des Lebens unterscheiden.

Sie gleichen sich wie ein Ei dem anderen - sagt man, wenn man eineiige Zwillinge sieht. Besonders im Kindesalter kann man sie meist nur an der Farbe der Pullover unterscheiden. Kein Wunder, sagt man, sie sind ja genetisch identisch. Trotzdem merkt man oft schon im Kleinkindalter Charakterunterschiede, und mit zunehmendem Alter verstärken sich meist auch die körperlichen Unterschiede. Besonders bei Zwillingen, die getrennt voneinander aufwachsen, wurde festgestellt, dass sie sich ganz anders entwickeln. Das liegt daran, dass sie unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind - so sind auch das Epigenom und damit die Nutzung ihres eigentlich identischen Erbgutes verschieden. Im Alter wird dieser Effekt immer klarer, was sich nicht nur im Charakter und in Äußerlichkeiten niederschlägt. Es kann auch dazu führen, dass die beiden Zwillinge von verschiedenen Krankheiten betroffen sind.

Epigenetik
Bild: Henning Köhler

EINE WUNDERSAME WANDLUNG

Epigenetik ist, wenn sich die Raupe als Schmetterling entpuppt.

Schmetterlinge sind wunderschön und es gibt unzählige Arten davon. Dabei sehen ihre jugendlichen Stadien – die Raupen – häufig eher unscheinbar aus. Bei manchen ist es aber auch andersherum. Haben Sie sich schon einmal klar gemacht, dass eine Raupe genau denselben Erbgutsatz hat wie der spätere Schmetterling? Während der Metamorphose im Puppenstadium wird aus einem Wesen ein komplett anders aussehendes, dem jedoch genau der gleiche “Bausatz” zugrunde liegt. Während dieser zielgerichteten Entwicklung werden Erbgutabschnitte unterschiedlich benutzt, so dass am Ende etwas anderes herauskommt – ein Mechanismus, den man Epigenetik nennt.

Epigenetik
Zeichnung: Lisa Giese

ZWEI AUS EINEM KEIM

Epigenetik ist, wenn Pflanzen sich an ihren Standort anpassen und es sich merken.

Wenn Menschen und Tiere nicht mit ihren Umweltbedingungen zurechtkommen, können sie einfach weggehen und sich einen besseren Ort suchen. Pflanzen können das nicht! Sie sind an ihren Standort gebunden und umso mehr darauf angewiesen, sich an ihre Lebensbedingungen anzupassen.
Zum Beispiel konnte gezeigt werden, dass Temperaturveränderungen einen Einfluss auf die “Packung” des Erbgutes in den Zellen einer Pflanze namens Ackerschmalwand haben. Ist das Erbgut lockerer gepackt, kann es “benutzt” werden; ist es dichter gepackt, eben nicht. Für die Dichte der Packung sind “epigenetische Schalter” verantwortlich. Diese verleihen den Zellen offenbar eine Art “Gedächtnis” und ermöglichen dadurch eine dauerhafte Umweltanpassung. Treten dieselben Bedingungen wiederholt auf, kann die Pflanze besser darauf reagieren.
Für Pappelzwillinge, die unter unterschiedlichen Bedingungen wachsen, wurde gezeigt, dass sie sich verschieden entwickeln und andere Reaktionen auf Dürre zeigen. Sind Pflanzen erstmal gut auf die Bedingungen an einem Standort eingestellt, können sie dieses “Wissen” sogar an ihre Nachkommen weitergeben.

Epigenetik
Bild: Arpad – stock.adobe.com

DIE EPIGENETISCHE LANDSCHAFT

Stellen Sie sich eine große Kugel vor, die Sie auf eine Bergspitze legen. Was passiert? Sie wird irgendwie den Berg hinunter rollen, sich einen Weg durch ein Tal suchen, dann durch das nächste, und ganz am Ende bleibt sie liegen. Von alleine wird sie den Berg nicht wieder hinaufrollen.
So beschrieb Conrad Waddington bereits 1957 den Begriff der „epigenetischen Landschaft“: Aus Stammzellen entwickeln sich immer spezialisiertere Zellen - sie rollen in ein “epigenetisches Tal”. Auf dem Weg hinab sind sie verschiedensten “Umwelteinflüssen” ausgesetzt, die sie ihren Weg beeinflussen und nicht immer vorhersehbar sind. Dadurch werden Gene unterschiedlich stark aktiviert und verschiedene Zelltypen entwickeln sich.
Die Summe der Entwicklung aller Zellen ergibt ein Lebewesen, und weil dies eben durch die Umwelteinflüsse geprägt wird, gleicht kein Lebewesen komplett dem anderen.

 

Epigenetik
Epigenetische Landschaft im Original nach C. Waddington, 1957