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Epigenetik

Einfluss auf das Erbgut

10.10.2016
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Von Inka Stonjek / Die Epigenetik zeigt: Ein Mensch ist die Summe seiner Gene und dem, was äußere Einflüsse wie Umwelt oder Ernährung daraus machen. Das ist Chance und Risiko zugleich. Denn etwa werdende Mütter können über das, was sie essen, nicht nur ihr eigenes Krankheitsrisiko beeinflussen, sondern dieses auch an ihre Kinder weitergeben.

Die Epigenetik ist ein noch recht junges Fachgebiet der Biologie. Sie untersucht, wie sich äußere Einflüsse auf die Entwicklung eines Lebewesens auswirken. Anschauliche Beispiele dafür finden sich in der Tierwelt. Bei den Bienen etwa entscheidet die Nahrung, die sie als Larve bekommen, darüber, ob sie sich zu einer Königin oder einer Arbeiterin entwickeln. Nur diejenigen, die ausschließlich das fett- und proteinreiche Gelée royale als Nahrung erhalten, reifen zur viel größeren Königin heran. Bei verschiedenen Reptilien wie Schildkröten, Eidechsen und Krokodilen hängt es von der Temperatur des Bodens ab, ob aus den Eiern ein weiblicher oder männlicher Nachkomme schlüpft.

Für diese sogenannte temperatur­abhängige Geschlechts­determination ist das Enzym Aromatase verantwortlich, das die Umwandlung des männlichen Geschlechtshormons Testosteron in das weibliche Geschlechtshormon Es­trogen katalysiert. Seine Aktivität nimmt mit steigender Temperatur zu und begünstigt je nach Tierart mal die Weibchen, mal die Männchen.

Gen an, Gen aus

Das Besondere: Die Sequenz der DNA wird bei all diesen Prozessen nicht verändert. Sie ist und bleibt bei Bienenkönigin und Arbeiterin gleich, unterscheidet sich aber in ihren Markierungen. Kleine Moleküle, genauer Methylgruppen, werden angeheftet oder abgelöst. Das beeinflusst die Gen­expression: An Gene ohne Methylgruppen können die Transkriptionsfaktoren leichter binden und die DNA-Sequenz ablesen. An methylierten DNA-Abschnitten gelingt dies nicht immer zuverlässig – die Transkription kann zum Erliegen kommen, das Gen inaktiv werden.

Mechanismen wie dieser sind auch der Grund, dass die Ausbildung spezialisierter Zellen möglich ist, obwohl alle Zellen eines Individuums das komplette Genom besitzen. So enthält beispielsweise jede Zelle die genetische Information für die Produktion des Farbstoffs Melanin, doch wird diese nur in Haut, Haaren und Augen aktiv abgelesen. Aus demselben Grund können auch nur Nervenzellen Reize verarbeiten und Gehirnzellen Denkleistung vollbringen.

Bienenköniginnen werden durch diese epigenetischen Mechanismen größer und langlebiger als ihre Untertanen. Zudem erhalten sie funktions­fähige Eierstöcke, was sie zum einzigen reproduktionsfähigen Individuum des Staates macht. Das Spannende: Diese Unterschiede sind nicht allein auf die Wirkung des Gelée royale zurückzuführen. Stattdessen scheinen auch Honig und Pollen als Nahrung der Arbeiterinnen epigenetisch wirksam zu sein. Offenbar verhindern darin enthaltene Stoffe eine Entwicklung zur Königin.

Gene sind nicht alles

Und beim Menschen? Lässt sich auch bei ihm die Genaktivität beeinflussen? »Die gegenwärtige Forschungslage lässt den Rückschluss zu, dass auch hier bestimmte Umweltfaktoren die weitere Entwicklung steuern können« sagt Professor Dr. Andreas Plagemann, Leiter der Forschungsabteilung am Centrum für Geburtsmedizin der Charité und Leiter der Arbeitsgruppe für Perinatale Programmierung. Wie viel von dem, was wir sind, auf die Gene zurückgeht, lässt sich nicht beziffern. Dennoch: »Die Epigenetik relativiert die Bedeutung der klassischen, sequenzbasierten Genetik. Die Gene sind nicht einfach eine Blaupause für den späteren Phänotyp, Krankheiten oder Gesundheit«, so Plagemann.

Wie sich beispielsweise der Lebensstil einer werdenden Mutter auf ihr Kind auswirkt, hat Plagemanns Arbeitsgruppe untersucht und dazu die Daten von mehr als 640 000 Probanden im Alter bis zu 75 Jahren aus 26 Ländern ausgewertet. Die Metaanalyse zeigt: Kinder mit einem Geburtsgewicht von mehr als 4000 Gramm haben in ihrem späteren Leben ein doppelt so hohes Risiko, übergewichtig zu werden, wie normalgewichtige Neugeborene. Und nicht nur das: Weil Übergewicht wiederum auch ein Risiko­faktor für Diabetes mellitus, Herz­­infarkt, Schlaganfall, manche Krebs­arten, Erkrankungen des Bewegungsapparates und psychische Pro­bleme ist, programmiert die Mutter mit ihrem Lebensstil auch die Disposition ihres Kindes für all diese Erkrankungen. ­Außerdem können epigenetische Merkmale sogar an die Nachkommen weitervererbt werden. Frauen in den Niederlanden, die im Hungerwinter 1944/1945 zur Welt kamen, brachten später ebenfalls eher kleinere Kinder auf die Welt. »Der Verlauf der Schwangerschaft erweist sich daher noch mehr als bisher als entscheidender Weichensteller für die Gesundheit des Kindes in seinem ganzen Leben«, so Plagemann.

Sensible Phase

In den 40 Wochen der Schwangerschaft ist der kindliche Organismus noch entsprechend form- und wandelbar. Er reagiert besonders sensibel auf alles, was an Umwelteinflüssen von außen auf ihn einprasselt. Plagemann zufolge sind dabei vor allem drei Faktoren negativ: Di­stress, Disnutrition und Disruptoren. »Damit sind ein erhöhter Stresslevel, Fehlernährung sowie der Einfluss hormonell aktiver Umweltsubstanzen wie etwa DDT/DDE oder Weichmacher gemeint.« Bekanntestes ernährungsphysiologisches Beispiel: Ein Folsäuremangel der Mutter, der mit einem erhöhten Risiko für Fehlbildungen beim Kind im Zusammenhang steht.

Forschung am Mausmodell

Ganz so einfach wie bei Bienen funktionieren epigenetische Mechanismen beim Menschen nicht. Dafür ist das menschliche Genom mit rund 25 000 Genen aus 3,2 Milliarden Basenpaaren zu komplex. Das Deutsche Institut für Ernährungsforschung (DIfE) nutzt deshalb Mäuse, die dem Menschen genetisch ähnlich sind, um epigenetische Zusammenhänge unter kontrollierten Bedingungen zu erforschen. So hat ein Wissenschaftlerteam an den Nagern nachgewiesen, dass eine fettreiche Ernährung während der Trage- und Stillzeit bei den Nachkommen zu Änderungen der Stoffwechselwege führt, die durch das Darmhormon Gastric Inhibitory Polypeptide (GIP) reguliert werden. Im Erwachsenenalter werden die Nachkommen dadurch empfänglicher für Übergewicht und Insulinresistenz, der Vorstufe des Typ-2-Diabetes. Ähn­liche Mechanismen seien beim Menschen nicht auszuschließen, wird ­Andreas F. H. Pfeiffer, Leiter der Abteilung Klinische Ernährung am DIfE, in einer Pressemeldung zitiert.

Ein anderes DIfE-Forscherteam konnte am Mausmodell zeigen, dass eine epigenetische Veränderung des IGFBP2-Gens (Insulin-like Growth Factor Binding Protein 2) beim Jungtier eine spätere Leberverfettung beim erwachsenen Tier ankündigt. Zudem haben Jungtiere mit dieser Veränderung einen gestörten Zuckerstoffwechsel und sind deutlich anfälliger für krankhaftes Übergewicht. »Auch bei krankhaft übergewichtigen Menschen mit einer beginnenden Zuckerkrankheit konnten wir diese Veränderung im entsprechenden Gen nachweisen. Sie käme daher vielleicht künftig als Risikomarker infrage«, erläutert Professor Dr. Annette Schürmann vom DIfE in ­einer Pressemitteilung des Instituts.

Vorsorge auf Gen-Ebene

Das macht epigenetische Veränderungen nicht nur zum Risiko, sondern auch zur Chance. Langfristig könnte sich mit diesen Erkenntnissen gezielte Vorsorge betreiben lassen. Die Forschung dazu ist in den vergangenen Jahren enorm vorangeschritten. »Durch die Identifikation konkreter Kausalfaktoren und pathophysiologisch relevanter Entwicklungszeitfenster könnte es gelingen, echte Präventionsmaßnahmen zu implementieren. Dafür bedarf es aber zunächst noch massiver Forschungsanstrengungen«, sagt Plagemann.

Allerdings sind verlässliche, auf den Menschen übertragbare Erkenntnisse noch Mangelware und daraus resultierende praktische Handlungsempfehlungen noch weit entfernt. »Immerhin sind einige Maßnahmen mittlerweile in die Bevölkerung und die vorbeugende Perinatalmedizin vorgedrungen«, so Plagemann. Dazu gehört, möglichst mit Normalgewicht in die Schwangerschaft zu gehen, während der Schwangerschaft nicht für zwei zu essen, den Zuckerstoffwechsel während der Schwangerschaft zu überprüfen und mindestens vier bis sechs Monate zu stillen. /