Was ist Epigenomik und was versteht man unter Epigenetik?

Genetik, Krebsforschung 2024

Medizin Doc Redaktion, aktualisiert am 15. August 2023, Lesezeit: 9 Minuten

Epigenetik und Epigenomik sind zwei verwandte wissenschaftliche Begriffe, die sich mit Veränderungen der Genaktivität und Genexpression befassen, die nicht auf Veränderungen der DNA-Sequenz selbst zurückzuführen sind.

Was versteht man unter Epigenetik?

Epigenetik bezieht sich auf Veränderungen in der Genexpression oder Genaktivität, die nicht durch Veränderungen in der DNA-Sequenz selbst verursacht werden. Vielmehr beeinflusst die Epigenetik, wie Gene an- oder abgeschaltet werden, indem sie chemische Veränderungen an der DNA und den sie umgebenden Proteinen, den Histonen, vornimmt.

  • Diese chemischen Markierungen beeinflussen, wie die DNA abgelesen wird, und können dazu führen, dass bestimmte Gene an- oder abgeschaltet werden. Die Epigenetik spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Differenzierung von Zellen, bei der Entstehung von Krankheiten und bei Wechselwirkungen mit der Umwelt.

Was versteht man unter Epigenomik

Epigenomik: Das Epigenom umfasst das gesamte Muster epigenetischer Veränderungen in einer Zelle oder einem Organismus. Es ist eine Art „epigenetische Landkarte“, die den Ort und die Art der chemischen Modifikationen an der DNA und den Histonen eines Organismus beschreibt.

Die Epigenomik ermöglicht es, epigenetische Veränderungen in großem Maßstab zu untersuchen und zu verstehen, wie sie die Genregulation und letztlich biologische Prozesse beeinflussen.

  • Sowohl die Epigenetik als auch die Epigenomik ermöglichen Einblicke in die Mechanismen, mit denen Umweltfaktoren die Genexpression beeinflussen können, ohne die DNA-Sequenz selbst zu verändern. Dies hat wichtige Auswirkungen auf Gesundheit, Entwicklung und Anpassung des Lebens.

Was ist das Epigenom?

Das Epigenom ist eine Ansammlung chemischer Verbindungen, die dem Genom sagen, 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 Bauanleitung für die Proteine, die in einer Zelle eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Das Epigenom besteht aus chemischen Verbindungen und Proteinen, die sich an die DNA anlagern und Aktionen wie das An- und Abschalten von Genen und die Kontrolle der Proteinproduktion in bestimmten Zellen steuern können.

Wenn epigenomische Verbindungen an die DNA binden und ihre Funktion verändern, spricht man von einer „Markierung“ des Genoms. 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 aber auch von einer Generation an die nächste weitergegeben werden.

Was macht das Epigenom?

Der 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 Gruppen von Genen in den verschiedenen Zelltypen an- oder abgeschaltet werden.

Spezialisierte Zellen im Auge aktivieren Gene, die Proteine produzieren, die Licht erkennen können, während spezialisierte Zellen in roten Blutkörperchen Proteine produzieren, die 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 vererbt werden (über Meiose und Mitose). Diese Veränderungen treten als natürliche Prozesse 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 eines Genoms aus. Dabei binden Proteine chemische Markierungen, so genannte Methylgruppen, an bestimmten Stellen an die Basen des DNA-Moleküls.

Diese Methylgruppen schalten Gene an oder aus, indem sie die Wechselwirkungen zwischen der DNA und anderen Proteinen beeinflussen. Die zweite Art der Markierung, die so genannte Histonmodifikation, wirkt indirekt auf die DNA.

Die DNA in den Zellen ist um Histonproteine gewickelt, die spulenartige Strukturen bilden, damit die sehr langen DNA-Moleküle im Zellkern geordnet zu Chromosomen aufgewickelt werden können. Die Proteine können eine Vielzahl chemischer Markierungen an den Histonen anbringen. Andere Proteine in der Zelle 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 die Nachkommen und von den Zellen an die nächste Generation weitergegeben, wenn sie sich teilen.

Wenn Eltern ihr Genom an ihre Nachkommen weitergeben, wird der größte Teil des Epigenoms zurückgesetzt; unter bestimmten Umständen können jedoch einige chemische 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 Zellgeneration weitergegeben, was dazu beiträgt, dass die Zellen spezialisiert bleiben.

Was ist Prägung?

Im menschlichen Genom liegen von jedem Gen zwei Kopien vor – eine von der Mutter und eine vom Vater.

Bei einigen Genen wird nur die mütterliche Kopie aktiviert, bei anderen nur die väterliche. Dieses Muster nennt man Imprinting. Das Epigenom unterscheidet zwischen den beiden Kopien eines geprägten Gens und bestimmt, welche Kopie angeschaltet wird.

Bestimmte Krankheiten werden durch abnormes Imprinting verursacht. Dazu gehören das Beckwith-Wiedemann-Syndrom, eine Störung, die mit übermäßigem Körperwachstum und einem erhöhten Krebsrisiko einhergeht, das Prader-Willi-Syndrom, das mit einem niedrigen Muskeltonus und ständigem Hunger einhergeht und zu Fettleibigkeit (Adipositas) führt, und das Angelman-Syndrom, das zu geistiger Behinderung und Bewegungsstörungen führt.

Kann das Epigenom verändert werden?

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

Wie verändert sich das Epigenom?

Lebensstil und Umweltfaktoren (wie Rauchen, Ernährung und Infektionskrankheiten) können einen Menschen 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 notwendig zu sein.
  • Manche Krankheiten des Menschen werden durch Fehlfunktionen von Proteinen verursacht, die epigenomische Markierungen „lesen“ und „schreiben“.

Wie tragen Veränderungen im Epigenom zur Entstehung von Krebs bei?

Krebs wird durch Veränderungen im Genom, im Epigenom oder in beiden verursacht. Veränderungen im Epigenom können Gene an- oder abschalten, die am Zellwachstum oder an der Immunantwort beteiligt sind. Diese Veränderungen können zu unkontrolliertem Wachstum führen, einem Merkmal von Krebs, oder dazu, dass das Immunsystem die Tumoren nicht zerstören kann.

Bei einem Gehirntumor, dem Glioblastom, haben Ärzte einige Erfolge bei der Behandlung von Patientinnen und Patienten mit einem alkylierenden Zytostatikum erzielt, das Krebszellen abtötet, indem es Methylgruppen an die DNA anhängt.

Diese Methylierung hat in einigen Fällen einen willkommenen Nebeneffekt: Sie blockiert ein Gen, das dem Wirkstoff entgegenwirkt. Glioblastom-Patienten, deren Tumoren solche methylierten Gene aufweisen, sprechen deutlich besser auf Temozolomid an als Patienten mit unmethylierten Genen.

Veränderungen im Epigenom können auch wachstumsfördernde Gene bei Magenkrebs, Darmkrebs und der häufigsten Form von Nierenkrebs aktivieren. Bei einigen anderen Krebsarten führen Veränderungen im Epigenom zum Abschalten von Genen, die normalerweise das Zellwachstum kontrollieren.

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

Wie untersuchen Forscher das Epigenom?

In dem Forschungsbereich der Epigenomik versuchen Forschende, die Positionen und Funktionen aller chemischen Markierungen im Genom zu bestimmen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen lange Zeit davon aus, dass Krankheiten beim Menschen vor allem durch Veränderungen in der DNA-Sequenz, durch Infektionserreger wie Bakterien und Viren oder durch Umwelteinflüsse verursacht werden.

Inzwischen haben Forschende 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 es Ärzten eines Tages ermöglichen, den Gesundheitszustand einer Person zu bestimmen und die Reaktion eines Patienten auf Therapien anzupassen.

Im Rahmen des ENCODE-Projekts, das darauf abzielt, die funktionellen Teile des Genoms zu katalogisieren, finanziert das National Human Genome Research Institute Forscher, die epigenomische Karten verschiedener Zelltypen erstellen.

Andere Forscherteams haben eine Reihe epigenomischer Karten verschiedener menschlicher Organe und Gewebe erstellt. Diese Projekte sind Teil der internationalen Bemühungen zu verstehen, wie die Epigenomik zu einer besseren Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten führen könnte.

ddp


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