Epigenetik

Epigenetik (griechisch: nach, hinterher, um/herum, zusätzlich) bezeichnet Prozesse in einer Zelle, die als "zusätzlich" zu den Vorgängen der Genetik gelten. In Abgrenzung zu dem Begriff "Genregulation" definiert die Epigenetik alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst kodiert sind. Epigenetik repräsentiert eine plausible regulatorische Verbindung zwischen Umwelteinflüssen und Genomfunktion und wird als wichtiger Faktor in der Entstehung komplexer Erkrankungen wahrgenommen. Epigenetische Einflüsse sind mitbestimmend, unter welchen Umständen welches Gen angeschaltet wird und wann es wieder stumm wird (Genregulation).

Die epigenetische Regulation umfasst die Markierung von DNA-Abschnitten mittels Methylierung, Histonmodifikationen sowie nicht kodierenden mikro-RNA (miRNA). Hierbei ist die DNA-Methylierung der bisher am besten untersuchte epigenetische Mechanismus. 

Während genetische Prozesse viele Generationen benötigen um sich zu etablieren, kann sich das Epigenom auf Umweltreize rasch verändern. Diese Veränderungen können an die nächste Generation weitergeben werden.

Beispielhaft werden mit dem Ausdruck "Epigenese" alle graduellen Prozesse der embryonalen Morphogenese von Organen belegt. Diese beruhen auf epigenetischen Prozessen bei der Zellteilung der Vorläuferzellen, der Zelldifferenzierung (s.u. Mosaik, kutanes).

Zu den epigenetischen Prozessen zählt man u.a.:

• Paramutation
• Bookmarking
• Imprinting
• Gen-Silencing
• X-Inaktivierung
• Positionseffekte
• maternale Effekte
• den Prozess der Karzinogenese (s.a. Onkogenese)
• viele Effekte von teratogenen Substanzen.

Epigenetik und Medikamente: Teilweise wird  die Ansicht vertreten, dass zahlreiche Medikamente epigenetische Auswirkungen haben. Bekannt ist dies von best. Psychopharmaka wie  Fluoxetin, auch von Morphinen.  Einige dieser Genausdruck-Anpassungen sind das Resultat einer veränderten DNA-Struktur, verursacht durch Chromatin-Umformungen epigenetischer Modifikationen.

Epigenetische Fehlsteuerungen sind bedeutend für die Entstehung immunologischer (untersucht u.a. bei systemischem Lupus erythematodes und der atopischen Dermatitis) und versch. neurologischer Erkrankungen.   

Der Begriff Epigenetik geht 1934 auf den russischen Biologen Nikolai K. Kolzov (1872-1940) zurück, einer der Schlüsselfiguren der russischen Biologie. Koltsov vertrat die Hypothese , dass epigenetische Veränderungen die Ausprägung von Chromosomen beeinflussen. Der britische Embryologe C. H. Waddington spezifizierte im Jahr 1942 den Begriff Epigenetik im Sinne von Epigenese, parallel zu Valentin Haeckers Phänogenetik. Waddington erkannte, dass bei Vererbung, Entwicklung und Evolution epigenetische Mechanismen eine bedeutende Rolle spielen. Epigenetik verstand er dabei als die Summe der Faktoren, die auf Zell-, Zellgruppen- oder embryonaler Ebene agieren, um die Entwicklung zu ermöglichen, inklusive genetischer sowie interner und externer Umweltfaktoren. Die Vielzahl genetischer Alternativen führte er darauf zurück, dass stets viele Gene kombiniert an der Ausbildung eines phänotypischen Merkmals beteiligt sind. Hierbei spielen Umweltstressoren eine bedeutende Rolle, die sich nicht nur auf ein einzelnes Tier, sondern auf die gesamte Population auswirken können. Seine heutige Bedeutung hat der Begriff Epigenetik jedoch erst in den 1990er Jahren erlangt. 1953 lieferte Waddington empirische Belege für seine Thesen in dem Aufsatz "Genetic Assimilation of an Acquired Character" und zeigt dort, wie die Adern in Fliegenflügeln verschwinden, angestoßen durch über mehrere Generationen wiederholte kurze Hitzeschocks der Fliegeneier, und wie die Adern schließlich bei einigen Tieren auch ganz ohne die Hitzeschocks wegbleiben. In der Entwicklung der Fliegen wird die Veränderung assimiliert.  Auch die sehr kurzfristige Evolution der Schnabelformen von Darwinfinken, wie sie nach Darwin von Peter und Rosemary Grant beschrieben wurde, wird mit Entwicklungsänderungen in Verbindung gebracht, speziell mit Änderungen des Proteins Hsp90.

Mit dem Begriff Epigenetik bezeichnen Wissenschaftler vererbbare Eigenschaften von Zellen, die nicht in der Sequenz der DNA-Bausteine festgeschrieben sind. Mit der vollständigen Entschlüsselung des menschlichen Erbgutes wurde zunehmend klar, dass viel mehr Faktoren die Funktionen des menschlichen Körpers regulieren als die Gene alleine. Eiweiße, die regulieren, wie zugänglich einzelne Gene sind, spielen für die Funktion der Gene eine gewaltige Rolle. Zudem gibt es chemische Veränderungen der Genbausteine selbst, die diese mit zusätzlichen „epigenetischen“ Informationen versehen. Gemeinsam bestimmen diese epigenetischen Modifikationen, welche Gene wann und wo an- und abgeschaltet werden und wie Zellen ihre speziellen genetischen Programme umsetzen. Die Kenntnis dieser epigenetischen Markierungen soll Auskunft darüber geben, wie etwa die Lebensführung, zum Beispiel die Ernährung, bestimmte Genfunktionen in betroffenen Zellen ändert.

Ein Beispiel dafür, dass allein Nahrung epigenetisch wirken kann liefern die Bienen. Bienenlarven die  einen Honig-Pollen-Brei erhalten werden zu sterilen Arbeiterbienen. Die Larve die Gelée royale erhält wird zur Königin. Warum das so ist konnte mittlerweile herausgefunden werden: Der Honig-Pollen-Brei sorgt dafür, dass Gene für die Bienenentwicklung außerordentlich methyliert und somit stummgeschaltet werden. Umgekehrt enthält das königliche Gelée bis zu fünf Prozent einer Fettsäure, die stummgeschaltete Gene epigenetisch wieder aktivieren kann.

Eine Definition des Begriffs "epigenetisches Merkmal" als "stabil vererbbarer Phänotyp, der sich aus Veränderungen an einem Chromosom ohne Veränderungen an der DNA-Sequenz ergibt" wurde 2008 auf einer Tagung in Cold Spring Harbor formuliert.

1. DeVries A et al.(2015) Early predictors of asthma and allergy in children: the role of epigenetics. Curr Opin Allergy Clin Immunol 15:435-439. 
2. Guo Y et al.(2014) Epigenetics in the treatment of systemic lupus erythematosus: Potential clinical application.Clin Immunoldoi: 10.1016/j.clim.2014.09.002.
3. Kabesch M (2014) Epigenetics in asthma and allergy. Curr Opin Allergy Clin Immunol 14:62-68.