Was ist das Epigenom?

Abgeleitet vom griechischen „epi“, was „über“ bedeutet, beschreibt das Epigenom Veränderungen am Genom, die nicht die DNA-Sequenz betreffen, sondern bestimmen, ob Gene an- oder abgeschaltet werden, wo und wann sie gebraucht werden.

Wenn das Genom dem Drehbuch eines Theaterstücks entspricht, ist das Epigenom die Interpretation des Stücks durch den Regisseur und die Schauspieler.

Zwei Komponenten des Epigenoms sind die Modifikation der DNA und der Umbau des Chromatins.

Die Modifikation der DNA beschreibt die Anlagerung von chemischen Verbindungen an die DNA-Basen. Die Methylierung der DNA ist die häufigste Modifikation.

Methylierung am Anfang eines Gens schaltet das Gen in der Regel aus. Der Umbau des Chromatins beschreibt, wie sich Veränderungen der DNA-Struktur auf die Genexpression auswirken können.

Wie Sie sich aus den vorangegangenen Schritten erinnern werden, ist die DNA um Histone gewickelt, damit sie effizient als Chromosomen in den Zellkern verpackt werden kann. Die Genexpression kann davon abhängen, wie fest die DNA an die Histone gebunden ist: Wenn sie locker gebunden ist, sind die Gene für die Transkriptionsfaktoren zugänglich und können exprimiert werden, aber wenn sie fest gebunden ist, kann die Transkription nicht stattfinden.

Die Festigkeit der Histon-DNA-Bindung wird durch chemische Modifikationen (u.a. Methylierung) bestimmt, die an „Schwänzen“ auftreten, die aus dem Histonmolekül herausragen.

Chromatinumbau Click to expand
© St George’s, University of London

Das Epigenom ist dynamisch und reagiert auf äußere Reize. Man geht davon aus, dass bestimmte äußere Reize anormale DNA-Modifikationen hervorrufen können, die wiederum die normale Genexpression stören.

So weiß man heute, dass ein defektes Epigenom neben Genommutationen zur Entstehung von Krebs beitragen kann.

Eine andere Gruppe von Störungen, die durch Anomalien des Epigenoms entstehen, sind die Imprinting-Störungen. Imprinting ist ein epigenomisches Phänomen, bei dem bestimmte Gene in Abhängigkeit von ihrem Herkunftselternteil exprimiert werden, d.h. ob ein Gen „ein-“ oder „ausgeschaltet“ ist, hängt davon ab, ob es von der Mutter oder vom Vater geerbt wurde.

In bestimmten Regionen des Genoms gibt es eine Häufung von geprägten Genen, die durch Imprinting-Kontrollzentren reguliert werden.

Abnormale Imprinting-Muster sind für einige seltene Erkrankungen verantwortlich, darunter (unter anderem) das Beckwith-Wiedemann-Syndrom (vergrößerte Zunge, Bauchwanddefekte, Ohrläppchenfalten/-grübchen und eine erhöhte Veranlagung zur Entwicklung bestimmter Tumore im Kindesalter); das Prader-Willi-Syndrom (geistige Behinderung, Fettleibigkeit und Hyperphagie) und das Angelman-Syndrom (geistige Behinderung, Krampfanfälle und charakteristisches Aussehen des Gesichts).

Die Epigenomik ist ein wachsendes Gebiet, über das wir noch relativ wenig wissen.

Die Erforschung des Epigenoms ist jedoch ein rasch expandierender Bereich, und wie unser wachsendes Wissen über das Genom wird auch unsere zunehmende Fähigkeit, das Epigenom zu interpretieren, wahrscheinlich unsere Möglichkeiten zur Diagnose und Behandlung seltener und häufiger Krankheiten verändern.

Sprechblase

Eine Studie an Mäusen deutet darauf hin, dass eine Angstreaktion durch vererbbare epigenetische Veränderungen von den Eltern an die Kinder weitergegeben werden kann. Dies ist als „Vererbung der elterlichen traumatischen Belastung“ bekannt (Dias, B. G. & Ressler, K. J. Nature Neurosci (2013)).

Was sind Ihre Gedanken zu den evolutionären Vorteilen der Weitergabe von Verhaltensmerkmalen, die durch Umweltreize verursacht werden, über Generationen hinweg? Was könnten die Nachteile sein?