Epigenetik für Anfänger. Wie die Epigenetik unser Verständnis von Struktur und Verhalten des biologischen Lebens auf der Erde revolutionieren kann

Von Friedrich Zimmermann

Sie sind einen Schritt davon entfernt, Ihre Augen und Ihren Geist für die Welt der Epigenetik zu öffnen, und zwar auf eine Art und Weise, die Ihnen helfen wird, die Komplexität der menschlichen Zelle, der Gene und anderer Komponenten zu verstehen und zu verstehen, wie dieses Wissen angewandt wird, um das Leben zu verändern! Im holländischen Hungerwinter 1944-1945 wurde bei Personen, die der Hungersnot kurz vor ihrer Geburt ausgesetzt waren, etwa 60 Jahre später eine erhöhte Rate an koronaren Herzkrankheiten und Fettleibigkeit festgestellt, verglichen mit denjenigen, die der Hungersnot nicht ausgesetzt waren. Das muss das Ergebnis einer Veränderung in ihrem genetischen Code sein, oder? NEIN. Offenbar wiesen sie im Vergleich zu ihren nicht exponierten Geschwistern eine geringere DNA-Methylierung (Hinzufügung von Methylgruppen zum DNA-Molekül, um ein Segment zu verändern, ohne die DNA-Sequenz zu beeinträchtigen) des geprägten Gens für den Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktor 2 auf, was die Rolle eines mächtigen Faktors zeigt, der in der Entwicklung und Evolution von Organismen keine Veränderung der genetischen Sequenz erfordert. Dieser Faktor ist die Epigenetik, die von Experten als ein sehr wichtiger Faktor in der Evolution bezeichnet wird, der in der modernen Biologie jedoch so sehr unterschätzt wird. Doch wie wird dieser Prozess im menschlichen Körper organisiert und gesteuert? Wie wird er genutzt, um die menschliche Gesundheit zu fördern? Welche innovativen Möglichkeiten gibt es, um von ihm zu profitieren und seine Kraft zur Verbesserung chronischer Krankheiten und Leiden zu nutzen? Gibt es Risiken bei der epigenetischen Therapie? Wie funktioniert die Epigenetik auf der grundlegendsten Ebene? Wenn Sie diese Fragen jetzt haben oder sie schon hatten, bevor Sie hier gelandet sind, dann sind Sie hier genau richtig. Dieses Buch beantwortet diese und viele weitere Fragen, um Ihnen einen Einblick in einen Mechanismus zu geben, der in der modernen Genetikforschung von zentraler Bedeutung ist, und zwar auf möglichst unkomplizierte, einfache und umfassende Weise. Es geht darum, wie die Genexpression erfolgreich verändert werden kann, ohne die DNA-Sequenz zu berühren, und was das für die resultierende Ausprägung von Merkmalen bedeutet; und wie dieses Phänomen genutzt werden kann, um das Leben zu verstehen und es zu verbessern. Hier ist ein Teil dessen, was Sie in diesem kompakten Buch finden werden: - Was Epigenetik ist und wie sie funktioniert - Warum die Epigenetik wichtig ist und wie sie mit unseren Erfahrungen zusammenhängt - Die Grundlagen der Körperzellen, einschließlich der Frage, was Zellen wirklich sind und wie sie sich teilen - Das Innenleben von DNA, Genen und Chromosomen - Wie die Epigenetik heute konzeptualisiert wird - Die vorhandenen Beweise für epigenetische Veränderungen; innerhalb der indirekten Epigenetik, über die indirekte Epigenetik und die transgenerationale epigenetische Vererbung - Die Mechanismen der Epigenetik und methodologische Erkenntnisse - Wie die epigenetische Therapie zur Behandlung des Mesothelioms eingesetzt wird - Die Arten der heute verfügbaren epigenetischen Therapien - Risiken, Nutzen und Forschung zur epigenetischen Therapie - Wie die epigenetische Kontrolle die Transkriptionsregulation bei Pluripotenz und früher Differenzierung, DNA-Methylierung und -Demethylierung, Nukleosomenumbau und Chromatin-Looping beeinflusst - Die Auswirkungen epigenetischer Veränderungen bei Diabetes und kardiovaskulärem Risiko ...und vieles mehr! Selbst wenn Sie völlig neu auf dem Gebiet der Genetik oder insbesondere der Epigenetik sind, wird dieses Buch für Sie nützlich und wertvoll sein, auch wenn sich alles nach komplexer/fortgeschrittener Wissenschaft anhört, da das Buch einen einsteigerfreundlichen Zugang zum Thema bietet. Scrollen Sie nach oben und klicken Sie auf Jetzt kaufen mit 1-Klick oder Jetzt kaufen, um loszulegen!

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Youcanprint
• Erscheinungsdatum: 16. Aug. 2022
• ISBN: 9791221413656

Buchvorschau

Einführungen

Im modernen Sinne wird der Begriff Epigenetik verwendet, um die Vererbung durch andere Mechanismen als die DNA-Sequenz der Gene zu beschreiben. Er kann auf die Merkmale angewendet werden, die bei einer Zellteilung von einer Zelle an ihre Tochterzellen weitergegeben werden, sowie auf die Merkmale des gesamten Organismus. Dies funktioniert durch chemische Markierungen an den Chromosomen, die im Wesentlichen die Gene ein- oder ausschalten.

Wissenschaftler, die den mikroskopisch kleinen Spulwurm Caenorhabditis elegans erforschen, haben vor kurzem eine Reihe von Mutationen entdeckt, die die normale Lebenszeit der Würmer von 2 bis 3 Wochen um bis zu 30 % erhöhen. Das war faszinierend, nicht zuletzt, weil Erkenntnisse über Arten wie den Spulwurm uns helfen werden, Mechanismen wie die Alterung des Menschen zu verstehen. Das war aber noch nicht das Ende der Geschichte, denn die Forscher entdeckten, dass die Nachkommen der langlebigen Spulwürmer immer noch überdurchschnittlich lange überleben konnten, obwohl sie nur die unveränderte Form der Gene von ihren Vorfahren erhalten hatten. Auf den ersten Blick scheint das keinen Sinn zu ergeben: Offensichtlich sind Merkmale wie Haarfarbe, Körpergröße und sogar die Frage, wie lange wir oder ein winziger Wurm möglicherweise überleben, in dem DNA-Gensatz verankert, den wir von unseren Vorfahren geerbt haben. Doch wie können wir das Rätsel lösen, wie die Spulwürmer eine langlebige Eigenschaft erworben haben, ohne den DNA-Code zu erben, der sie ursprünglich ausgelöst hat? Die Lösung dieses Problems ist die Epigenetik.

Nicht alles in der DNA Kurz gesagt: Epigenetik ist die Untersuchung von Merkmalen oder Phänotypen, die nicht mit Veränderungen in der DNA-Sequenz einhergehen; und langlebige Spulwürmer sind nur eines von vielen Beispielen. Einige davon sind, wie wir unten sehen können, wie die Königin und die Arbeiterinnen der Honigbienen so unterschiedlich aussehen können, obwohl sie genetisch ähnlich sind, wie Unterernährung in menschlichen Gesellschaften das Wohlbefinden und das Überleben der nächsten Generation beeinflussen kann, warum alle Schildpattkatzen weiblich sind und wie wir alle aus einer einzigen Zelle (einem befruchteten Ei) wachsen, um am Ende Körper zu haben, die aus mehreren verschiedenen Formen spezialisierter Bienen bestehen.

Während die konventionelle Biologie erklärt, wie DNA-Mutationen in unseren Genomen von einer Generation auf die nächste übertragen werden, definiert die Epigenetik, wie die Genome weitergegeben werden. Betrachten Sie die Epigenetik als Metadaten, als Wissen, das die zugrundeliegenden Details identifiziert und anordnet, um einen Codevergleich zu ermöglichen. Wenn Sie z. B. einen MP3-Player kaufen, enthält dieser eine Vielzahl von Details, z. B. MP3-Dateien. Stellen Sie sich diese als Analogie zu Genen vor. Aber Sie werden sicherlich auch Wiedergabelisten haben, oder Sie können Lieder nach Künstler oder Genre abspielen. Dieser Inhalt, die Wiedergabeliste, der Künstler, das Genre und so weiter sind Metadaten. Sie entscheiden darüber, welche Lieder in welcher Reihenfolge abgespielt werden, und das ist es, was Epigenetik mit Genetik zu tun hat. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Mechanismen, die den Zweck haben, Gene anzuschalten oder zu exprimieren, wie die Molekularbiologen sagen würden.

Und bei der Epigenetik geht es darum, wie Gene verarbeitet und genutzt werden, und nicht um die DNA-Struktur der Gene selbst - wie funktioniert das also? In den letzten Jahrzehnten haben mehrere Wissenschaftler die Epigenetik erforscht, und es handelt sich dabei um ein Gebiet, das intensiv erforscht wird. Wir wissen, dass die Epigenetik zum Teil dadurch funktioniert, dass winzige chemische Markierungen auf die DNA aufgebracht und extrahiert werden. Sie können sich solche Logos wie Post-it-Zettel vorstellen, auf denen verschiedene Gene mit Angaben darüber, ob sie ein- oder ausgeschaltet werden können, abgebildet sind. Die betreffende chemische Markierung wird Methylgruppe genannt und dient dazu, eine der vier Basen oder Atomsymbole A, C, T und G zu verändern, die den genetischen Code unserer DNA bilden. Der markierte Buchstabe ist C oder Cytosin, und wenn er verändert oder methyliert ist, wird er als 5-Methylcytosin bezeichnet. Methylgruppen werden durch Enzyme namens DNA-Methyltransferase (DNMT) in die DNA eingebaut.

Epigenetische Effekte können manchmal auch bei den Enkeln auftreten Erstaunlicherweise scheinen einige Daten darauf hinzudeuten, dass die Enkel von Frauen, die während des Hungerwinters schwanger waren, einige dieser Effekte erfahren. Dies deutet eindeutig auf einen epigenetischen Prozess hin, den wir bereits erwähnt haben. Die Arbeit mit niederländischen Hungerwinter-Familien hat begonnen, und eine neue Analyse des IGF2-Gens hat gezeigt, dass bei Personen, die vor der Geburt einer Unterernährung ausgesetzt waren, weniger Methylmarker in der DNA dieses Gens vorhanden sind. Auch wenn IGF2 selbst nicht mit einem erhöhten Gesundheitsrisiko bei diesen Menschen korreliert, so zeigt dies doch, dass epigenetische Effekte (d. h. eine Verringerung der Menge an Methylmarkern in verschiedenen Genen), die vor der Geburt entstehen, über mehrere Jahrzehnte anhalten können. Forschungen bei Nutztieren haben auch gezeigt, dass die Ernährung der Mutter einen Einfluss auf ihre Nachkommen haben kann. So führt beispielsweise die Fütterung von Schafen mit einer Nahrung, die nicht die zur Bildung von Methylgruppen erforderlichen Nährstoffe enthält, zu Nachkommen mit veränderten DNA-Methylierungsmustern und einer höheren als der normalen Häufigkeit bestimmter Gesundheitsprobleme.

Epigenetik und Prägung, warum die Gene von Mutter und Vater nicht immer gleich sind Wir alle haben 23 Chromosomenpaare in unseren Zellen. Von jedem Paar stammt eines von einer Mutter und eines von einem Vater. Daher erben wir von jedem Elternteil eine Kopie jedes Gens, und normalerweise glauben wir, dass die Rolle des Gens nicht davon abhängt, von welchem Elternteil es stammt. Bei geprägten Genen herrschen jedoch besondere Bedingungen. Bei solchen Genen ist nur die mütterliche oder väterliche Kopie des Gens beteiligt, während die andere Version stumm bleibt. Bei Menschen und Mäusen gibt es mindestens 80 geprägte Gene, von denen viele an der Entwicklung des Embryos oder der Plazenta beteiligt sind. Wie kann eine Kopie eines Gens ausgeschaltet werden, wenn die andere Kopie in derselben Zelle eingeschaltet wird? Die Lösung dieses Problems ist die Epigenetik. Das wahrscheinlich am besten erforschte geprägte Gen ist das IGF2-Gen (siehe oben). Ein Teil von IGF2 fungiert als Schalter. Wenn die DNA nicht methyliert ist, kann das IGF2-Protein hier exprimiert werden. Der Übergang ist nur in der väterlichen Variante des Gens methyliert, und nur diese Variante wird freigesetzt, während die mütterliche Kopie still ist. Man geht davon aus, dass der Übergang in den Keimzellen (Eizellen und Spermien) so angelegt ist, dass die Gene von Mama und Papa gleich zu Beginn mit individuellen epigenetischen Markierungen versehen werden und somit nicht gleich sind.

Prägung und psychiatrische Erkrankungen Das Angelmann- und das Prader-Willi-Syndrom sind zwei verschiedene neurologische Erkrankungen mit spezifischen Symptomen, die alle auf das Fehlen eines Teils des Chromosoms 15 zurückzuführen sind. Kinder, die eine Kopie dieses anormalen Chromosoms erben, leiden entweder am Angelmann- oder am Prader-Willi-Syndrom, obwohl sie eine normale Kopie des Chromosoms von ihrem anderen Elternteil besitzen. Aber wie kann ein und dieselbe Mutation (Verlust von Chromosom 15) zu zwei so unterschiedlichen Erkrankungen beitragen? Die Lösung liegt in der Erkenntnis, dass dieses einzigartige Fragment von Chromosom 15 eine Vielzahl von Genen enthält, die so geprägt sind, dass weder die väterliche noch die mütterliche Variante dieser Gene exprimiert wird; eines der beiden Syndrome hängt in der Regel davon ab, ob die Deletion im mütterlichen oder väterlichen Chromosom auftritt. Wenn ein defektes Chromosom vom Onkel erworben wird, gibt es keinen funktionierenden Klon der geprägten Gene, die auf dem mütterlichen Chromosom 15 ausgeschaltet sind, was zum Angelmann-Syndrom und umgekehrt zum Prader-Willi-Syndrom führt. Dies unterscheidet sich deutlich von anderen Erbkrankheiten wie z. B. der Mukoviszidose, bei der sich die Auswirkungen auf das Wachstum oder das Wohlbefinden auch dann zeigen, wenn ein defektes Gen oder eine Mutation von beiden Elternteilen vererbt wird.

Was ein Kind zu einem Kind und eine Frau zu einer Frau macht, ist ein kleines Stück Biologie, an das niemand von uns denkt. Es sind die X- und Y-Chromosomen. Ganz am Anfang unserer Existenz erhielt jeder von uns ein X-Chromosom von seiner Mutter durch die Eizelle, und während die Mädchen ein weiteres X-Chromosom von ihrem Vater durch das Sperma erhielten, bekamen die Jungen das Y-Chromosom. Das Y-Chromosom in den Zellen eines männlichen Embryos lässt ihn zu einem Kind heranwachsen, während der weibliche Embryo zu einem Mädchen mit zwei X- und keinem Y-Chromosom heranwächst. Jetzt werden Sie feststellen, dass es hier einen Unterschied gibt. Wir haben auch zwei der anderen Gene, außer den Geschlechtschromosomen (X und Y), die Mädchen haben zwei X, während die Jungen nur ein X (und ein Y) haben. Während das Y-Chromosom nur wenige Gene enthält, die hauptsächlich an der Männlichkeit beteiligt sind, enthält das X-Chromosom eine Vielzahl von Genen, die an lebenswichtigen Prozessen wie dem Farbsehen, der Blutgerinnung und der Muskelaktivität beteiligt sind. Um die Dosierung der Gene des X-Chromosoms zwischen männlichen und weiblichen Zellen zu maximieren, wird ein komplettes X-Chromosom in weiblichen Zellen ausgeschaltet. Dies wird als X-Chromosomen-Inaktivierung bezeichnet, die sich sehr früh im Mutterleib entwickelt. In dieser Phase schalten die Zellen spontan entweder das väterliche oder das mütterliche X-Chromosom aus, was bedeutet, dass der Körper eines Mädchens bei der Geburt zu einer Kombination oder Chimäre von Zellen wird, bei der entweder das mütterliche oder das väterliche X-Chromosom ausgeschaltet wird. Der Grund dafür sind die epigenetischen Markierungen, über die wir gesprochen haben. Seit Jahrzehnten weiß man, dass weibliche Zellen ein sehr kleines X-Chromosom haben, den so genannten Barr-Körper, den man unter dem Mikroskop sehen kann, also das inaktive X-Chromosom.

Das vielleicht am besten dokumentierte Beispiel für eine transgenerationale epigenetische Wirkung ist das Aguti-Gen der Maus. Dieses Gen reguliert die Haarfarbe und wird zum richtigen Zeitpunkt in den Haarfollikelzellen aktiviert, um einen gelben Streifen im normalerweise dunklen Fell zu erzeugen, was