Was ist Epigenomik?

Die Epigenomik ist ein Gebiet, auf dem Forscher die Lage und die Funktionen aller chemischen Markierungen des Genoms aufzeichnen.

Was ist das Epigenom?

Das Epigenom ist eine Vielzahl von chemischen Verbindungen, die dem Genom sagen können, was es zu tun hat. Das menschliche Genom ist die vollständige Anordnung der DNA (Desoxyribonukleinsäure) – etwa 3 Milliarden Basenpaare -, die jeden Menschen einzigartig macht. Die DNA enthält die Anweisungen für den Aufbau der Proteine, die eine Vielzahl von Funktionen in einer Zelle ausführen. Das Epigenom besteht aus chemischen Verbindungen und Proteinen, die sich an die DNA anlagern und Aktionen wie das Ein- oder Ausschalten von Genen und die Steuerung der Produktion von Proteinen in bestimmten Zellen steuern können. Wenn sich epigenomische Verbindungen an die DNA anlagern und ihre Funktion verändern, spricht man davon, dass sie das Genom „markiert“ haben. Diese Markierungen verändern nicht die Sequenz der DNA. Vielmehr verändern sie die Art und Weise, wie Zellen die Anweisungen der DNA nutzen. Die Markierungen werden manchmal von Zelle zu Zelle weitergegeben, wenn sich die Zellen teilen. Sie können auch von einer Generation an die nächste weitergegeben werden.

Was macht das Epigenom?

Ein Mensch hat Billionen von Zellen, die auf verschiedene Funktionen in Muskeln, Knochen und Gehirn spezialisiert sind, und jede dieser Zellen trägt im Wesentlichen das gleiche Genom in ihrem Kern. Die Unterschiede zwischen den Zellen werden dadurch bestimmt, wie und wann verschiedene Gengruppen in den verschiedenen Zelltypen an- oder abgeschaltet werden. Spezialisierte Zellen im Auge schalten Gene ein, die Proteine herstellen, die Licht erkennen können, während spezialisierte Zellen in roten Blutkörperchen Proteine herstellen, die den Sauerstoff aus der Luft in den Rest des Körpers transportieren. Das Epigenom steuert viele dieser Veränderungen im Genom.

Wie setzt sich das Epigenom zusammen?

Das Epigenom ist die Gesamtheit der chemischen Veränderungen der DNA und der DNA-assoziierten Proteine in der Zelle, die die Genexpression verändern und vererbbar sind (über Meiose und Mitose). Die Veränderungen treten als natürlicher Prozess der Entwicklung und Gewebedifferenzierung auf und können als Reaktion auf Umwelteinflüsse oder Krankheiten verändert werden.

Die erste Art der Markierung, die so genannte DNA-Methylierung, wirkt sich direkt auf die DNA in einem Genom aus. Bei diesem Prozess binden Proteine chemische Markierungen, so genannte Methylgruppen, an die Basen des DNA-Moleküls an bestimmten Stellen an. Die Methylgruppen schalten Gene ein oder aus, indem sie die Wechselwirkungen zwischen der DNA und anderen Proteinen beeinflussen. Die zweite Art der Markierung, die so genannte Histonmodifikation, wirkt sich indirekt auf die DNA aus. Die DNA in den Zellen ist um Histonproteine gewickelt, die spulenartige Strukturen bilden, die es ermöglichen, dass die sehr langen DNA-Moleküle ordentlich zu Chromosomen im Zellkern aufgewickelt werden können. Proteine können eine Vielzahl von chemischen Markierungen an Histone anbringen. Andere Proteine in den Zellen können diese Markierungen erkennen und entscheiden, ob der betreffende DNA-Bereich in der Zelle verwendet oder ignoriert werden soll.

Wird das Epigenom vererbt?

Das Genom wird von den Eltern an ihre Nachkommen und von den Zellen, wenn sie sich teilen, an die nächste Generation weitergegeben. Ein Großteil des Epigenoms wird zurückgesetzt, wenn die Eltern ihr Genom an ihre Nachkommen weitergeben; unter bestimmten Umständen können jedoch einige der chemischen Markierungen auf der DNA und den Histonen von Eiern und Spermien an die nächste Generation weitergegeben werden. Wenn sich Zellen teilen, wird oft ein großer Teil des Epigenoms an die nächste Generation von Zellen weitergegeben, was dazu beiträgt, dass die Zellen spezialisiert bleiben.

Was ist Prägung?

Das menschliche Genom enthält zwei Kopien jedes Gens – eine Kopie, die von der Mutter, und eine, die vom Vater stammt. Bei einer kleinen Anzahl von Genen wird nur die Kopie von der Mutter eingeschaltet, bei anderen nur die Kopie vom Vater. Dieses Muster wird als Imprinting bezeichnet. Das Epigenom unterscheidet zwischen den beiden Kopien eines geprägten Gens und bestimmt, welche Kopie eingeschaltet wird. Einige Krankheiten werden durch abnormes Imprinting verursacht. Dazu gehören das Beckwith-Wiedemann-Syndrom, eine Störung, die mit übermäßigem Körperwachstum und erhöhtem Krebsrisiko einhergeht, das Prader-Willi-Syndrom, das mit schlechtem Muskeltonus und ständigem Hunger einhergeht und zu Fettleibigkeit führt, und das Angelman-Syndrom, das zu geistiger Behinderung und Bewegungsstörungen führt.

Kann sich das Epigenom verändern?

Obwohl alle Zellen im Körper im Wesentlichen das gleiche Genom enthalten, wird die durch chemische Markierungen auf der DNA und den Histonen gekennzeichnete DNA neu angeordnet, wenn sich die Zellen spezialisieren. Auch das Epigenom kann sich im Laufe des Lebens verändern.

Wodurch verändert sich das Epigenom?

Lebensstil und Umweltfaktoren (wie Rauchen, Ernährung und Infektionskrankheiten) können eine Person Belastungen aussetzen, die chemische Reaktionen auslösen. Diese Reaktionen wiederum führen häufig zu Veränderungen im Epigenom, von denen einige schädlich sein können. Die Fähigkeit des Epigenoms, sich an die Belastungen des Lebens anzupassen, scheint jedoch für die normale menschliche Gesundheit erforderlich zu sein. Einige menschliche Krankheiten werden durch Fehlfunktionen in den Proteinen verursacht, die epigenomische Markierungen „lesen“ und „schreiben“.

Wie tragen Veränderungen im Epigenom zu Krebs bei?

Krebserkrankungen werden durch Veränderungen im Genom, im Epigenom oder in beiden verursacht. Veränderungen im Epigenom können Gene ein- oder ausschalten, die am Zellwachstum oder an der Immunreaktion beteiligt sind. Diese Veränderungen können zu unkontrolliertem Wachstum führen, einem Kennzeichen von Krebs, oder dazu, dass das Immunsystem die Tumore nicht zerstören kann.

Bei einer Art von Hirntumor, dem Glioblastom, haben Ärzte einige Erfolge bei der Behandlung von Patienten mit dem Medikament Temozolomid erzielt, das Krebszellen abtötet, indem es Methylgruppen an die DNA anhängt. In einigen Fällen hat die Methylierung einen willkommenen Nebeneffekt: Sie blockiert ein Gen, das dem Temozolomid entgegenwirkt. Glioblastom-Patienten, deren Tumoren solche methylierten Gene aufweisen, sprechen mit weitaus größerer Wahrscheinlichkeit auf Temozolomid an als Patienten mit nicht methylierten Genen.

Veränderungen im Epigenom können auch wachstumsfördernde Gene bei Magenkrebs, Dickdarmkrebs und der häufigsten Form von Nierenkrebs aktivieren. Bei einigen anderen Krebsarten bringen Veränderungen im Epigenom Gene zum Schweigen, die normalerweise dazu dienen, das Zellwachstum in Schach zu halten.

Das Verständnis aller Veränderungen, die eine normale Zelle in eine Krebszelle verwandeln, wird die Bemühungen um die Entwicklung neuer und besserer Methoden zur Diagnose, Behandlung und Vorbeugung von Krebs beschleunigen.

Wie erforschen die Forscher das Epigenom?

In einem Forschungsbereich, der als Epigenomik bekannt ist, versuchen Forscher, die Positionen und Funktionen aller chemischen Markierungen im Genom zu erfassen.

Bis vor kurzem gingen Wissenschaftler davon aus, dass menschliche Krankheiten hauptsächlich durch Veränderungen in der DNA-Sequenz, durch Infektionserreger wie Bakterien und Viren oder durch Umwelteinflüsse verursacht werden. Jetzt haben Forscher jedoch nachgewiesen, dass auch Veränderungen im Epigenom Krankheiten verursachen oder zu ihnen führen können. Die Epigenomik ist daher zu einem wichtigen Bestandteil der Bemühungen geworden, den menschlichen Körper besser zu verstehen und die menschliche Gesundheit zu verbessern. Epigenomische Karten könnten Ärzte eines Tages in die Lage versetzen, den Gesundheitszustand einer Person zu bestimmen und die Reaktion eines Patienten auf Therapien anzupassen.

Im Rahmen des ENCODE-Projekts, das darauf abzielt, die funktionierenden Teile des Genoms zu katalogisieren, finanziert das National Human Genome Research Institute Forscher, die epigenomische Karten verschiedener Zelltypen erstellen. Andere Forscher haben eine Reihe von epigenomischen Karten von verschiedenen menschlichen Organen und Geweben erstellt. Diese Projekte sind Teil der internationalen Bemühungen, zu verstehen, wie die Epigenomik zu einer besseren Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten führen könnte.

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