Epigenetik: Wie Gene an- und abgeschaltet werden

Epigenetik untersucht Veränderungen, die bestimmen, ob und wie stark ein Gen abgelesen wird, ohne dass sich dabei die Abfolge der DNA-Bausteine selbst verändert. Der Begriff bedeutet wörtlich so viel wie „oberhalb der Genetik“, weil epigenetische Mechanismen wie eine zusätzliche Steuerungsebene über der reinen Erbinformation liegen.

Man kann sich die DNA als einen sehr langen Text vorstellen, der in jeder Körperzelle vollständig vorhanden ist. Epigenetische Mechanismen entscheiden dabei, welche Kapitel dieses Textes in welcher Zelle tatsächlich gelesen werden und welche dauerhaft zugeklappt bleiben.

Ein häufiger Fehler ist, Epigenetik mit einer Veränderung der Erbinformation selbst zu verwechseln. Bei epigenetischen Veränderungen bleibt die Abfolge der DNA-Bausteine unverändert, es ändert sich nur, wie zugänglich einzelne Genabschnitte für die Ablesemaschinerie der Zelle sind.

Die klassische Genetik beschäftigt sich mit der Abfolge der DNA-Bausteine selbst, also mit Genen, Mutationen und Vererbungsregeln. Verändert sich diese Abfolge dauerhaft, spricht man von einer Mutation, die von Zelle zu Zelle und teilweise auch an Nachkommen weitergegeben werden kann.

Die Epigenetik betrachtet dagegen, wie stark ein Gen mit unveränderter Sequenz tatsächlich abgelesen wird. Diese sogenannte Genexpression kann sich im Laufe des Lebens verändern, etwa durch Alterung, Krankheit oder äußere Einflüsse, ohne dass die zugrunde liegende DNA-Sequenz selbst betroffen ist.

Beide Ebenen arbeiten eng zusammen: Die Genetik legt fest, welche Information überhaupt vorhanden ist, die Epigenetik legt fest, welcher Teil dieser Information in einer bestimmten Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich genutzt wird.

Einer der wichtigsten epigenetischen Mechanismen ist die DNA-Methylierung. Dabei setzen bestimmte Enzyme kleine chemische Gruppen, sogenannte Methylgruppen, an festgelegte Stellen der DNA. Diese Methylgruppen verändern die Basenabfolge nicht, erschweren aber den Zugang der Ablesemaschinerie der Zelle zu diesem Genabschnitt.

Ist ein Gen stark methyliert, wird es kaum noch oder gar nicht mehr abgelesen, man spricht von einer verringerten Genexpression. Werden die Methylgruppen dagegen entfernt, wird das Gen wieder besser zugänglich und kann verstärkt abgelesen werden.

Neben der Methylierung spielen auch Veränderungen an den Histonen, den Proteinen, um die die DNA aufgewickelt ist, eine wichtige Rolle: Sie bestimmen, wie dicht oder locker die DNA gepackt ist, und beeinflussen dadurch ebenfalls die Genexpression.

Fast alle Körperzellen eines Menschen enthalten dieselbe vollständige DNA. Trotzdem sehen eine Nervenzelle, eine Muskelzelle und eine Hautzelle völlig unterschiedlich aus und erfüllen ganz verschiedene Aufgaben. Der entscheidende Unterschied liegt genau in der Epigenetik.

Während der Entwicklung eines Organismus legen epigenetische Mechanismen wie Methylierung und Histonveränderungen fest, welche Gene in welcher Zelle dauerhaft aktiv bleiben und welche stillgelegt werden. Diese festgelegten epigenetischen Muster werden bei der Zellteilung meist an die Tochterzellen weitergegeben, wodurch aus einer Zelllinie stabil immer wieder derselbe Zelltyp entsteht.

Anders als die klassische DNA-Sequenz können epigenetische Muster durch Umweltfaktoren beeinflusst werden, etwa durch Ernährung, Stress, Rauchen oder bestimmte Umweltgifte. Solche Einflüsse können dazu führen, dass Gene stärker oder schwächer abgelesen werden, ohne dass die Erbinformation selbst verändert wird.

Ein Forschungsgebiet, das aktuell noch intensiv untersucht wird, ist die Frage, inwieweit solche epigenetischen Veränderungen über Generationen weitergegeben werden können. Für manche Tier- und Pflanzenarten gibt es Hinweise auf eine begrenzte Weitergabe epigenetischer Muster an Nachkommen, beim Menschen ist das Ausmaß einer solchen Vererbung wissenschaftlich noch nicht abschließend geklärt.

Die Epigenetik wirft deshalb auch ethische Fragen auf, etwa danach, welche Verantwortung Eltern für epigenetische Folgen ihres Lebensstils tragen, oder wie epigenetische Tests in Medizin und Versicherungswesen verantwortungsvoll genutzt werden sollten. Klare wissenschaftliche und gesellschaftliche Antworten stehen hier teilweise noch aus.