Epigenetische Transformationen. Genetik und Epigenetik: Grundkonzepte

Ein Organismus mit seiner Umgebung während der Bildung eines Phänotyps. Sie untersucht die Mechanismen, durch die auf der Grundlage der in einer Zelle (Zygote) enthaltenen genetischen Information aufgrund unterschiedlicher Genexpression in verschiedenen Zelltypen die Entwicklung eines vielzelligen Organismus bestehend aus differenzierten Zellen erfolgen kann. Es ist anzumerken, dass viele Forscher der Epigenetik immer noch skeptisch gegenüberstehen, da in ihrem Rahmen die Möglichkeit einer nichtgenomischen Vererbung als adaptive Reaktion auf Umweltveränderungen zugelassen wird, was dem derzeit vorherrschenden genozentrischen Paradigma widerspricht.

Beispiele

Ein Beispiel für epigenetische Veränderungen bei Eukaryoten ist der Prozess der Zelldifferenzierung. Während der Morphogenese bilden totipotente Stammzellen die verschiedenen pluripotenten Zelllinien des Embryos, aus denen wiederum vollständig differenzierte Zellen entstehen. Mit anderen Worten: Eine befruchtete Eizelle – die Zygote – differenziert sich Verschiedene Arten Zellen, einschließlich: Neuronen, Muskelzellen, Epithel, Gefäßendothel usw., durch mehrere Teilungen. Dies wird erreicht, indem einige Gene aktiviert und gleichzeitig andere mithilfe epigenetischer Mechanismen gehemmt werden.

Ein zweites Beispiel lässt sich an Wühlmäusen nachweisen. Im Herbst, vor dem kalten Wetter, werden sie mit längerem und dichterem Haar geboren als im Frühling, obwohl die intrauterine Entwicklung von „Frühlings“- und „Herbst“-Mäusen unter nahezu identischen Bedingungen (Temperatur, Tageslänge, Luftfeuchtigkeit usw.) erfolgt. . Studien haben gezeigt, dass das Signal, das epigenetische Veränderungen auslöst, die zu einer Zunahme der Haarlänge führen, eine Änderung des Gradienten der Melatoninkonzentration im Blut ist (sie nimmt im Frühjahr ab und im Herbst zu). So werden bereits vor dem Einsetzen der Kälte epigenetische adaptive Veränderungen (Zunahme der Haarlänge) induziert, deren Anpassung für den Organismus von Vorteil ist.

Etymologie und Definitionen

Der Begriff „Epigenetik“ (sowie „epigenetische Landschaft“) wurde 1942 von Conrad Waddington als Ableitung der Wörter Genetik und Epigenese vorgeschlagen. Als Waddington den Begriff prägte, physische Natur Gene war nicht vollständig bekannt, daher verwendete er sie als konzeptionelles Modell dafür, wie Gene mit ihrer Umgebung interagieren könnten, um einen Phänotyp zu formen.

Robin Halliday definierte Epigenetik als „die Untersuchung der Mechanismen der zeitlichen und räumlichen Kontrolle der Genaktivität während der Entwicklung von Organismen“. Daher kann der Begriff „Epigenetik“ verwendet werden, um alle internen Faktoren zu beschreiben, die die Entwicklung eines Organismus beeinflussen, mit Ausnahme der DNA-Sequenz selbst.

Die moderne Verwendung des Wortes im wissenschaftlichen Diskurs ist enger. Das griechische Präfix epi- im Wort impliziert Faktoren, die „über“ oder „zusätzlich“ zu genetischen Faktoren wirken, was bedeutet, dass epigenetische Faktoren zusätzlich zu oder zusätzlich zu den traditionellen molekularen Faktoren der Vererbung wirken.

Die Ähnlichkeit mit dem Wort „Genetik“ hat zu vielen Analogien in der Verwendung des Begriffs geführt. „Epigenom“ ist analog zum Begriff „Genom“ und definiert den gesamten epigenetischen Zustand der Zelle. Auch die Metapher des „genetischen Codes“ wurde angepasst, und der Begriff „epigenetischer Code“ wird verwendet, um die Reihe epigenetischer Merkmale zu beschreiben, die unterschiedliche Phänotypen in verschiedenen Zellen erzeugen. Der weit verbreitete Begriff „Epimutation“ bezieht sich auf eine Veränderung des normalen Epigenoms, die durch sporadische Faktoren verursacht wird und über mehrere Zellgenerationen übertragen wird.

Molekulare Grundlagen der Epigenetik

Die molekularen Grundlagen der Epigenetik sind recht komplex, obwohl sie nicht die Struktur der DNA beeinflussen, sondern die Aktivität bestimmter Gene verändern. Dies erklärt, warum differenzierte Zellen eines vielzelligen Organismus nur die Gene exprimieren, die für ihre spezifischen Aktivitäten notwendig sind. Eine Besonderheit epigenetischer Veränderungen besteht darin, dass sie über die Zellteilung hinaus bestehen bleiben. Es ist bekannt, dass die meisten epigenetischen Veränderungen nur innerhalb der Lebensdauer eines einzelnen Organismus auftreten. Wenn gleichzeitig eine Veränderung der DNA in einem Spermium oder einer Eizelle auftritt, können einige epigenetische Manifestationen von einer Generation auf die andere übertragen werden. Dies wirft die Frage auf: Können epigenetische Veränderungen in einem Organismus tatsächlich die Grundstruktur seiner DNA verändern? (Siehe Evolution).

Im Rahmen der Epigenetik werden Prozesse wie Paramutation, genetisches Bookmarking, genomische Prägung, X-Chromosomen-Inaktivierung, Positionseffekt, maternale Effekte sowie andere Mechanismen der Regulation der Genexpression umfassend untersucht.

Epigenetische Studien nutzen ein breites Spektrum molekularbiologischer Techniken, darunter Chromatin-Immunpräzipitation (verschiedene Modifikationen von ChIP-on-Chip und ChIP-Seq), In-situ-Hybridisierung, methylierungsempfindliche Restriktionsenzyme, DNA-Adenin-Methyltransferase-Identifizierung (DamID) und Bisulfit-Sequenzierung Darüber hinaus spielt der Einsatz bioinformatischer Methoden (Computerepigenetik) eine immer wichtigere Rolle.

Mechanismen

DNA-Methylierung und Chromatin-Remodellierung

Epigenetische Faktoren beeinflussen die Expressionsaktivität bestimmter Gene auf mehreren Ebenen und führen zu Veränderungen im Phänotyp einer Zelle oder eines Organismus. Einer der Mechanismen dieses Einflusses ist die Umgestaltung des Chromatins. Chromatin ist ein Komplex aus DNA und Histonproteinen: DNA wird auf Histonproteine ​​gewickelt, die durch kugelförmige Strukturen (Nukleosomen) dargestellt werden, was zu ihrer Verdichtung im Zellkern führt. Die Intensität der Genexpression hängt von der Dichte der Histone in aktiv exprimierten Regionen des Genoms ab. Beim Chromatin-Remodelling handelt es sich um einen Prozess, bei dem die „Dichte“ von Nukleosomen und die Affinität von Histonen zur DNA aktiv verändert werden. Dies wird auf zwei im Folgenden beschriebene Weise erreicht.

DNA-Methylierung

Der bisher am besten untersuchte epigenetische Mechanismus ist die Methylierung von Cytosin-DNA-Basen. Die intensive Erforschung der Rolle der Methylierung bei der Regulierung der genetischen Expression, auch während des Alterns, begann bereits in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts mit der Pionierarbeit von B. F. Vanyushin und G. D. Berdyshev et al. Der Prozess der DNA-Methylierung beinhaltet die Hinzufügung einer Methylgruppe an Cytosin als Teil eines CpG-Dinukleotids an Position C5 des Cytosinrings. DNA-Methylierung ist hauptsächlich für Eukaryoten charakteristisch. Beim Menschen ist etwa 1 % der genomischen DNA methyliert. Drei Enzyme namens DNA-Methyltransferasen 1, 3a und 3b (DNMT1, DNMT3a und DNMT3b) sind für den Prozess der DNA-Methylierung verantwortlich. Es wird angenommen, dass DNMT3a und DNMT3b De-novo-Methyltransferasen sind, die das DNA-Methylierungsmuster in frühen Entwicklungsstadien bilden, und dass DNMT1 die DNA-Methylierung in späteren Lebensstadien des Organismus durchführt. Die Funktion der Methylierung besteht darin, ein Gen zu aktivieren/inaktivieren. In den meisten Fällen führt die Methylierung zur Unterdrückung der Genaktivität, insbesondere wenn seine Promotorregionen methyliert sind, und die Demethylierung führt zu seiner Aktivierung. Es hat sich gezeigt, dass selbst geringfügige Änderungen im Grad der DNA-Methylierung das Ausmaß der genetischen Expression erheblich verändern können.

Histonmodifikationen

Obwohl Modifikationen von Aminosäuren in Histonen im gesamten Proteinmolekül auftreten, treten Modifikationen der N-Schwänze viel häufiger auf. Zu diesen Modifikationen gehören: Phosphorylierung, Ubiquitylierung, Acetylierung, Methylierung, Sumoylierung. Die Acetylierung ist die am besten untersuchte Histonmodifikation. Somit korreliert die Acetylierung der Histon-H3-Schwanzlysine durch Acetyltransferase K14 und K9 mit der Transkriptionsaktivität in dieser Region des Chromosoms. Dies geschieht, weil die Acetylierung von Lysin seine positive Ladung in eine neutrale Ladung umwandelt, was es ihm unmöglich macht, an die negativ geladenen Phosphatgruppen in der DNA zu binden. Dadurch werden Histone von der DNA gelöst, was dazu führt, dass der SWI/SNF-Komplex und andere Transkriptionsfaktoren, die die Transkription auslösen, auf der „nackten“ DNA landen. Dabei handelt es sich um ein „cis“-Modell der epigenetischen Regulation.

Histone sind in der Lage, ihren veränderten Zustand beizubehalten und als Vorlage für die Modifikation neuer Histone zu fungieren, die nach der Replikation an die DNA binden.

Der Mechanismus der Reproduktion epigenetischer Markierungen wurde für die DNA-Methylierung besser untersucht als für Histonmodifikationen. Somit hat das DNMT1-Enzym eine hohe Affinität zu 5-Methylcytosin. Wenn DNMT1 eine „hemimethylierte Stelle“ findet (eine Stelle, an der das Cytosin auf nur einem DNA-Strang methyliert ist), methyliert es das Cytosin auf dem zweiten Strang an derselben Stelle.

Prionen

MicroRNA

In letzter Zeit wurde viel Aufmerksamkeit auf die Untersuchung der Rolle von Small Interfering RNA (si-RNA) bei den Prozessen der Regulierung der genetischen Aktivität gelenkt. Störende RNAs können die mRNA-Stabilität und -Translation verändern, indem sie die Polysomenfunktion und die Chromatinstruktur modellieren.

Bedeutung

Die epigenetische Vererbung in somatischen Zellen spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung eines mehrzelligen Organismus. Das Genom aller Zellen ist nahezu gleich, gleichzeitig enthält ein vielzelliger Organismus unterschiedlich differenzierte Zellen, die Signale unterschiedlich wahrnehmen Umfeld und verschiedene Funktionen ausführen. Es sind epigenetische Faktoren, die für das „zelluläre Gedächtnis“ sorgen.

Medizin

Sowohl genetische als auch epigenetische Phänomene haben erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Es sind mehrere Krankheiten bekannt, die durch eine beeinträchtigte Genmethylierung sowie durch Hemizygotie für ein Gen entstehen, das einer genomischen Prägung unterliegt. Für viele Organismen wurde ein Zusammenhang zwischen der Histonacetylierungs-/Deacetylierungsaktivität und der Lebensdauer nachgewiesen. Vielleicht wirken sich dieselben Prozesse auf die Lebenserwartung des Menschen aus.

Evolution

Obwohl die Epigenetik hauptsächlich im Zusammenhang mit dem zellulären Gedächtnis betrachtet wird, gibt es auch eine Reihe transgenerativer epigenetischer Effekte, bei denen genetische Veränderungen an die Nachkommen weitergegeben werden. Im Gegensatz zu Mutationen sind epigenetische Veränderungen reversibel und möglicherweise zielgerichtet (adaptiv). Da die meisten von ihnen nach einigen Generationen verschwinden, kann es sich nur um vorübergehende Anpassungen handeln. Auch die Möglichkeit, dass die Epigenetik die Häufigkeit von Mutationen in einem bestimmten Gen beeinflusst, wird aktiv diskutiert. Es wurde gezeigt, dass die APOBEC/AID-Familie der Cytosin-Desaminase-Proteine ​​über ähnliche molekulare Mechanismen sowohl an der genetischen als auch an der epigenetischen Vererbung beteiligt ist. In vielen Organismen wurden mehr als 100 Fälle transgenerativer epigenetischer Phänomene gefunden.

Epigenetische Effekte beim Menschen

Genomische Prägung und verwandte Krankheiten

Einige menschliche Krankheiten sind mit genomischer Prägung verbunden, einem Phänomen, bei dem dieselben Gene unterschiedliche Methylierungsmuster aufweisen, je nachdem, von welchem ​​Geschlechtselternteil sie stammen. Die bekanntesten Fälle von Prägungskrankheiten sind das Angelman-Syndrom und das Prader-Willi-Syndrom. Beide werden durch eine teilweise Löschung in der 15q-Region verursacht. Dies ist auf das Vorhandensein einer genomischen Prägung an diesem Ort zurückzuführen.

Transgenerative epigenetische Effekte

Marcus Pembrey und Co-Autoren fanden heraus, dass die Enkelkinder (aber nicht die Enkelinnen) von Männern, die im 19. Jahrhundert in Schweden einer Hungersnot ausgesetzt waren, weniger davon betroffen waren Herz-Kreislauf-Erkrankungen, sind aber anfälliger für Diabetes, was nach Ansicht des Autors ein Beispiel für epigenetische Vererbung ist.

Krebs und Entwicklungsstörungen

Viele Stoffe haben die Eigenschaften epigenetischer Karzinogene: Sie führen zu einem Anstieg der Tumorhäufigkeit, ohne eine mutagene Wirkung zu zeigen (zum Beispiel: Diethylstilbestrol-Arsenit, Hexachlorbenzol und Nickelverbindungen). Viele Teratogene, insbesondere Diethylstilbestrol, haben auf epigenetischer Ebene spezifische Auswirkungen auf den Fötus.

Veränderungen in der Histonacetylierung und DNA-Methylierung führen zur Entstehung von Prostatakrebs, indem sie die Aktivität verschiedener Gene verändern. Die Genaktivität bei Prostatakrebs kann durch Ernährung und Lebensstil beeinflusst werden.

Im Jahr 2008 kündigten die US-amerikanischen National Institutes of Health an, dass in den nächsten fünf Jahren 190 Millionen US-Dollar für die epigenetische Forschung ausgegeben würden. Nach Ansicht einiger Forscher, die die Förderung initiiert haben, könnte die Epigenetik bei der Behandlung menschlicher Krankheiten eine größere Rolle spielen als die Genetik.

Epigenom und Altern

IN letzten Jahren Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass epigenetische Prozesse im späteren Leben eine wichtige Rolle spielen. Insbesondere mit zunehmendem Alter kommt es zu weitreichenden Veränderungen der Methylierungsmuster. Es wird angenommen, dass diese Prozesse unter genetischer Kontrolle stehen. Gewöhnlich größte Zahl In der aus Embryonen oder neugeborenen Tieren isolierten DNA werden methylierte Cytosinbasen beobachtet, und diese Menge nimmt mit zunehmendem Alter allmählich ab. Eine ähnliche Abnahme der DNA-Methylierung wurde in kultivierten Lymphozyten von Mäusen, Hamstern und Menschen festgestellt. Es ist systematisch, kann aber gewebe- und genspezifisch sein. Beispielsweise haben Tra et al. (Tra et al., 2002) stellten beim Vergleich von mehr als 2000 Loci in T-Lymphozyten, die aus dem peripheren Blut von Neugeborenen sowie von Menschen mittleren Alters und älteren Menschen isoliert wurden, fest, dass 23 dieser Loci mit zunehmendem Alter einer Hypermethylierung und 6 Hypomethylierung unterliegen Ähnliche Veränderungen in den Methylierungsmustern wurden auch in anderen Geweben festgestellt: Bauchspeicheldrüse, Lunge und Speiseröhre. Bei Patienten mit Hutchinson-Gilford-Progyrie wurden schwere epigenetische Störungen festgestellt.

Es wird angenommen, dass die Demethylierung mit zunehmendem Alter zu Chromosomenumlagerungen durch die Aktivierung mobiler genetischer Elemente (MGEs) führt, die normalerweise durch DNA-Methylierung unterdrückt werden (Barbot et al., 2002; Bennett-Baker, 2003). Der systematische altersbedingte Rückgang des Methylierungsniveaus könnte zumindest teilweise für viele komplexe Krankheiten verantwortlich sein, die mit klassischen genetischen Konzepten nicht erklärt werden können. Ein weiterer Prozess, der in der Ontogenese parallel zur Demethylierung abläuft und die Prozesse der epigenetischen Regulation beeinflusst, ist die Chromatinkondensation (Heterochromatinisierung), die mit zunehmendem Alter zu einer Abnahme der genetischen Aktivität führt. In einer Reihe von Studien konnten auch altersabhängige epigenetische Veränderungen in Keimzellen nachgewiesen werden; Die Richtung dieser Veränderungen scheint genspezifisch zu sein.

Literatur

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Anmerkungen

1. Neue Forschungsergebnisse bringen häufige RNA-Modifikationen mit Fettleibigkeit in Verbindung
2. http://woman.health-ua.com/article/475.html Epigenetische Epidemiologie altersassoziierter Krankheiten
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In den letzten Jahren hat die medizinische Wissenschaft ihre Aufmerksamkeit zunehmend von der Untersuchung des genetischen Codes auf die mysteriösen Mechanismen verlagert, durch die die DNA ihr Potenzial entfaltet: Sie wird verpackt und interagiert mit Proteinen in unseren Zellen.

Die sogenannten epigenetischen Faktoren sind vererbbar, reversibel und spielen eine große Rolle bei der Erhaltung der Gesundheit ganzer Generationen.

Epigenetische Veränderungen in einer Zelle können neurologische und Krebserkrankungen auslösen Geisteskrankheit, Autoimmunerkrankungen – es ist nicht verwunderlich, dass die Epigenetik die Aufmerksamkeit von Ärzten und Forschern aus verschiedenen Bereichen auf sich zieht.

Es reicht nicht aus, dass Ihre Gene die richtige Nukleotidsequenz kodieren. Die Expression jedes Gens ist ein unglaublich komplexer Prozess, der eine perfekte Koordination der Aktionen mehrerer beteiligter Moleküle erfordert.

Die Epigenetik stellt Medizin und Wissenschaft vor zusätzliche Herausforderungen, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.

Jede Zelle unseres Körpers (mit wenigen Ausnahmen) enthält dieselbe DNA, die von unseren Eltern gespendet wurde. Allerdings können nicht alle Teile der DNA gleichzeitig aktiv sein. Manche Gene wirken in Leberzellen, andere in Hautzellen und wieder andere in Nervenzellen – deshalb unterscheiden sich unsere Zellen auffallend voneinander und haben ihre eigene Spezialisierung.

Epigenetische Mechanismen stellen sicher, dass eine Zelle eines bestimmten Typs mit einem für diesen Typ einzigartigen Code arbeitet.

Während des gesamten menschlichen Lebens können bestimmte Gene „schlafen“ oder plötzlich aktiviert werden. Diese obskuren Veränderungen werden durch Milliarden von Lebensereignissen beeinflusst – ein Umzug in eine neue Gegend, die Scheidung von der Frau, der Gang ins Fitnessstudio, ein Kater oder ein verdorbenes Sandwich. Fast alle Ereignisse im Leben, ob groß oder klein, können die Aktivität bestimmter Gene in uns beeinflussen.

Definition von Epigenetik

Im Laufe der Jahre wurden die Wörter „Epigenese“ und „Epigenetik“ in verschiedenen Bereichen der Biologie verwendet, und erst vor relativ kurzer Zeit haben Wissenschaftler einen Konsens über ihre endgültige Bedeutung erzielt. Erst auf dem Treffen in Cold Spring Harbor 2008 konnte die Verwirrung ein für alle Mal beseitigt werden, indem eine formale Definition von Epigenetik und epigenetischen Veränderungen vorgeschlagen wurde.

Epigenetische Veränderungen sind vererbbare Veränderungen der Genexpression und des Zellphänotyps, die keinen Einfluss auf die DNA-Sequenz selbst haben. Unter dem Phänotyp versteht man die Gesamtheit der Eigenschaften einer Zelle (Organismus) – in unserem Fall ist dies die Struktur des Knochengewebes, biochemische Prozesse, Intelligenz und Verhalten, Hautton und Augenfarbe usw.

Natürlich hängt der Phänotyp eines Organismus von seinem genetischen Code ab. Doch je weiter sich Wissenschaftler mit den Fragen der Epigenetik befassten, desto offensichtlicher wurde, dass einige Eigenschaften des Körpers über Generationen hinweg vererbt werden, ohne dass sich der genetische Code ändert (Mutationen).

Für viele war dies eine Offenbarung: Der Körper kann sich verändern, ohne die Gene zu verändern, und diese neuen Eigenschaften an die Nachkommen weitergeben.

Die epigenetische Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass Umweltfaktoren – das Leben unter Rauchern, ständiger Stress, schlechte Ernährung – zu schwerwiegenden Störungen in der Funktion von Genen (nicht jedoch in ihrer Struktur) führen können und dass diese Störungen leicht auf zukünftige Generationen übertragen werden. Die gute Nachricht ist, dass sie reversibel sind und sich in der neunten Generation spurlos auflösen können.

Um die Kraft der Epigenetik besser zu verstehen, stellen wir uns unser Leben als einen langen Film vor.

Unsere Zellen sind Schauspieler und Schauspielerinnen, und unsere DNA ist ein vorbereitetes Drehbuch, in dem jedes Wort (Gen) der Besetzung die notwendigen Befehle gibt. In diesem Film ist die Epigenetik die Regie. Das Drehbuch mag das gleiche sein, aber der Regisseur hat die Macht, bestimmte Szenen und Dialogteile zu entfernen. Im Leben entscheidet die Epigenetik also, was und wie jede Zelle unseres riesigen Körpers sagen wird.

Epigenetik und Gesundheit

Methylierung, Veränderungen in Histonproteinen oder Nukleosomen („DNA-Packer“) können vererbt werden und zu Krankheiten führen.

Der am meisten untersuchte Aspekt der Epigenetik ist die Methylierung. Hierbei handelt es sich um den Prozess, bei dem der DNA Methylgruppen (CH3-) hinzugefügt werden.

Typischerweise beeinflusst die Methylierung die Gentranskription – das Kopieren von DNA in RNA oder den ersten Schritt der DNA-Replikation.

Eine Studie aus dem Jahr 1969 zeigte erstmals, dass DNA-Methylierung das Langzeitgedächtnis eines Menschen verändern kann. Seitdem ist die Rolle der Methylierung bei der Entstehung zahlreicher Krankheiten besser verstanden worden.

Erkrankungen des Immunsystems

In den letzten Jahren gesammelte Erkenntnisse zeigen, dass der Verlust der epigenetischen Kontrolle über komplexe Immunprozesse zu Autoimmunerkrankungen führen kann. So wird bei Menschen, die an Lupus, einer entzündlichen Erkrankung, leiden, eine abnormale Methylierung in T-Lymphozyten beobachtet das Immunsystem wirkt sich auf die Organe und Gewebe des Wirts aus.

Andere Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die DNA-Methylierung die wahre Ursache für die Entstehung rheumatoider Arthritis ist.

Neuropsychiatrische Erkrankungen

Einige psychische Erkrankungen, Autismus-Spektrum-Störungen und neurodegenerative Erkrankungen haben eine epigenetische Komponente. Insbesondere mit DNA-Methyltransferasen (DNMTs), einer Gruppe von Enzymen, die eine Methylgruppe auf Nukleotidreste in der DNA übertragen.

Die Rolle der DNA-Methylierung bei der Entstehung der Alzheimer-Krankheit wurde bereits praktisch nachgewiesen. Eine große Studie hat herausgefunden, dass Gene in Nervenzellen von Patienten, die anfällig für Alzheimer sind, auch ohne klinische Symptome anders methyliert sind als in normalen Gehirnen.

Die Theorie über die Rolle der Methylierung bei der Entstehung von Autismus wird seit langem vorgeschlagen. Zahlreiche Autopsien, die Gehirne erkrankter Menschen untersuchen, bestätigen, dass deren Zellen nicht genügend Protein MECP2 (Methyl-CpG-bindendes Protein 2) haben. Dies ist eine äußerst wichtige Substanz, die methylierte Gene bindet und aktiviert. Fehlt MECP2, ist die Gehirnfunktion beeinträchtigt.

Onkologische Erkrankungen

Es ist zuverlässig bekannt, dass Krebs von Genen abhängt. Glaubte man bis in die 80er Jahre, es handele sich nur um genetische Mutationen, so wissen Wissenschaftler heute um die Rolle epigenetischer Faktoren bei der Entstehung und dem Fortschreiten von Krebs und sogar bei seiner Therapieresistenz.

Im Jahr 1983 wurde Krebs als erste menschliche Krankheit mit der Epigenetik in Verbindung gebracht. Dann entdeckten Wissenschaftler, dass Darmkrebszellen viel weniger methyliert sind als normale Darmzellen. Der Mangel an Methylgruppen führt zu einer Instabilität der Chromosomen und die Onkogenese beginnt. Andererseits „schläft“ ein Überschuss an Methylgruppen in der DNA einige Gene ein, die für die Unterdrückung von Krebs verantwortlich sind.

Da epigenetische Veränderungen reversibel sind, haben weitere Forschungen den Weg für eine innovative Krebstherapie geebnet.

In der Oxford-Fachzeitschrift Carcinogenesis schrieben Wissenschaftler 2009: „Die Tatsache, dass epigenetische Veränderungen im Gegensatz zu genetischen Mutationen potenziell reversibel sind und wieder normalisiert werden können, macht die epigenetische Therapie zu einer vielversprechenden Option.“

Die Epigenetik ist noch eine junge Wissenschaft, aber dank der vielfältigen Auswirkungen epigenetischer Veränderungen auf Zellen sind die Erfolge bereits erstaunlich. Es ist bedauerlich, dass unsere Nachkommen erst in 30 bis 40 Jahren vollständig erkennen können, wie viel es für die Gesundheit der Menschheit bedeutet.

: Master of Pharmacy und professioneller medizinischer Übersetzer

Die vielleicht umfassendste und zugleich genaueste Definition der Epigenetik stammt vom herausragenden englischen Biologen, dem Nobelpreisträger Peter Medawar: „Die Genetik schlägt vor, aber die Epigenetik verfügt.“

Alexey Rzheshevsky Alexander Vayserman

Wussten Sie, dass unsere Zellen ein Gedächtnis haben? Sie erinnern sich nicht nur daran, was Sie normalerweise zum Frühstück essen, sondern auch daran, was Ihre Mutter und Großmutter während der Schwangerschaft gegessen haben. Ihre Zellen merken sich gut, ob Sie Sport treiben und wie oft Sie Alkohol trinken. Das Zellgedächtnis speichert Ihre Begegnungen mit Viren und wie sehr Sie als Kind geliebt wurden. Das zelluläre Gedächtnis entscheidet darüber, ob Sie zu Fettleibigkeit und Depressionen neigen. Vor allem dank des zellulären Gedächtnisses sind wir nicht wie Schimpansen, obwohl wir ungefähr die gleiche Genomzusammensetzung haben. Und die Wissenschaft der Epigenetik hat uns geholfen, diese erstaunliche Eigenschaft unserer Zellen zu verstehen.

Die Epigenetik ist ein relativ junges Gebiet der modernen Wissenschaft und noch nicht so bekannt wie ihr „ Einheimische Schwester» Genetik. Aus dem Griechischen übersetzt bedeutet die Präposition „epi-“ „oben“, „über“, „über“. Wenn die Genetik die Prozesse untersucht, die zu Veränderungen in unseren Genen, in der DNA, führen, dann untersucht die Epigenetik Veränderungen in der Genaktivität, in der die DNA Struktur bleibt die erstere, man kann sich vorstellen, dass ein bestimmter „Kommandant“ als Reaktion auf äußere Reize wie Ernährung, emotionaler Stress, körperliche Aktivität unseren Genen den Befehl gibt, ihre Aktivität zu steigern oder umgekehrt abzuschwächen.

Epigenetische Prozesse laufen auf mehreren Ebenen ab. Die Methylierung erfolgt auf der Ebene einzelner Nukleotide. Die nächste Stufe ist die Modifikation von Histonen, Proteinen, die an der Verpackung von DNA-Strängen beteiligt sind. Auch die Prozesse der DNA-Transkription und -Replikation hängen von dieser Verpackung ab. Ein separater wissenschaftlicher Zweig, die RNA-Epigenetik, untersucht mit RNA verbundene epigenetische Prozesse, einschließlich der Methylierung von Boten-RNA.

Mutationskontrolle

Die Entwicklung der Epigenetik als eigenständiger Zweig der Molekularbiologie begann in den 1940er Jahren. Dann formulierte der englische Genetiker Conrad Waddington das Konzept einer „epigenetischen Landschaft“, das den Prozess der Organismenbildung erklärt. Lange Zeit wurde angenommen, dass epigenetische Transformationen nur für die Anfangsphase der Organismusentwicklung charakteristisch sind und im Erwachsenenalter nicht beobachtet werden. In den letzten Jahren wurde jedoch eine ganze Reihe experimenteller Beweise gewonnen, die die Wirkung einer explodierenden Bombe in der Biologie und Genetik nachweisen konnten.

Eine Revolution in der genetischen Weltanschauung fand Ende des letzten Jahrhunderts statt. In mehreren Labors wurden gleichzeitig eine Reihe experimenteller Daten gewonnen, die die Genetiker zum Nachdenken anregten. So führten Schweizer Forscher um Renato Paro von der Universität Basel 1998 Experimente mit Drosophila-Fliegen durch, die aufgrund von Mutationen gelbe Augen hatten. Es wurde festgestellt, dass mutierte Drosophila-Nachkommen unter dem Einfluss erhöhter Temperatur nicht mit gelben, sondern mit roten (wie normalerweise) Augen geboren wurden. Bei ihnen wurde ein chromosomales Element aktiviert, wodurch sich ihre Augenfarbe veränderte.

Zur Überraschung der Forscher blieb die rote Augenfarbe bei den Nachkommen dieser Fliegen noch vier Generationen lang bestehen, obwohl sie keiner Hitze mehr ausgesetzt waren. Das heißt, es kam zur Vererbung erworbener Merkmale. Wissenschaftler mussten eine sensationelle Schlussfolgerung ziehen: Stressbedingte epigenetische Veränderungen, die sich nicht auf das Genom selbst auswirken, können behoben und an zukünftige Generationen weitergegeben werden.

Aber vielleicht passiert das nur bei Fruchtfliegen? Nicht nur. Später stellte sich heraus, dass auch beim Menschen der Einfluss epigenetischer Mechanismen eine sehr wichtige Rolle spielt. Beispielsweise wurde ein Muster identifiziert, dass die Anfälligkeit von Erwachsenen für Typ-2-Diabetes weitgehend vom Monat ihrer Geburt abhängt. Und das, obwohl zwischen dem Einfluss bestimmter jahreszeitlicher Faktoren und dem Ausbruch der Krankheit selbst 50-60 Jahre vergehen. Dies ist ein klares Beispiel für die sogenannte epigenetische Programmierung.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Veranlagung zu Diabetes und dem Geburtsdatum? Den neuseeländischen Wissenschaftlern Peter Gluckman und Mark Hanson ist es gelungen, eine logische Erklärung für dieses Paradoxon zu formulieren. Sie schlugen die „Mismatch-Hypothese“ vor, wonach in einem sich entwickelnden Organismus eine „vorausschauende“ Anpassung an die nach der Geburt zu erwartenden Umweltbedingungen erfolgen kann. Sollte sich die Vorhersage bestätigen, erhöht dies die Überlebenschancen des Organismus in der Welt, in der er leben wird. Wenn nicht, wird die Anpassung zur Fehlanpassung, also zur Krankheit.

Wenn der Fötus beispielsweise während der intrauterinen Entwicklung nicht genügend Nahrung erhält, kommt es zu Stoffwechselveränderungen, die darauf abzielen, Nahrungsressourcen für die zukünftige Verwendung „für einen regnerischen Tag“ zu speichern. Wenn nach der Geburt wirklich wenig Nahrung vorhanden ist, hilft das dem Körper beim Überleben. Wenn sich herausstellt, dass die Welt, in der sich ein Mensch nach der Geburt befindet, wohlhabender ist als vorhergesagt, kann dieser „sparsame“ Stoffwechsel im späteren Leben zu Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes führen.

Die 2003 von den amerikanischen Wissenschaftlern der Duke University Randy Jirtle und Robert Waterland durchgeführten Experimente sind bereits zu Lehrbüchern geworden. Einige Jahre zuvor gelang es Jirtl, gewöhnlichen Mäusen ein künstliches Gen einzuschleusen, weshalb diese gelb, fett und kränklich zur Welt kamen. Nachdem Jirtle und seine Kollegen solche Mäuse geschaffen hatten, beschlossen sie zu prüfen: Ist es möglich, sie normal zu machen, ohne das defekte Gen zu entfernen? Es stellte sich heraus, dass es möglich war: Sie fügten der Nahrung schwangerer Agouti-Mäuse (wie die gelben Mäusemonster genannt wurden) Folsäure, Vitamin B12, Cholin und Methionin hinzu, und als Ergebnis erschienen normale Nachkommen. Ernährungsfaktoren konnten Mutationen in Genen neutralisieren. Darüber hinaus blieb die Wirkung der Ernährung in mehreren nachfolgenden Generationen bestehen: Agouti-Mäuse wurden dank dieser Ernährung normal geboren Lebensmittelzusatzstoffe Sie brachten selbst normale Mäuse zur Welt, obwohl sie bereits normale Ernährung hatten.

Methylgruppen lagern sich an Cytosinbasen an, ohne die DNA zu zerstören oder zu verändern, beeinflussen aber die Aktivität der entsprechenden Gene. Es gibt auch einen umgekehrten Prozess – die Demethylierung, bei der Methylgruppen entfernt und die ursprüngliche Aktivität der Gene wiederhergestellt wird.

Wir können mit Sicherheit sagen, dass die Schwangerschaft und die ersten Lebensmonate die wichtigsten im Leben aller Säugetiere, einschließlich des Menschen, sind. Der deutsche Neurowissenschaftler Peter Sporck brachte es treffend auf den Punkt: „Im Alter wird unsere Gesundheit manchmal viel stärker von der Ernährung unserer Mutter während der Schwangerschaft beeinflusst als von der Ernährung im aktuellen Moment.“

Schicksal durch Vererbung

Der am besten untersuchte Mechanismus der epigenetischen Regulierung der Genaktivität ist der Prozess der Methylierung, bei dem eine Methylgruppe (ein Kohlenstoffatom und drei Wasserstoffatome) an die Cytosinbasen der DNA hinzugefügt wird. Methylierung kann die Genaktivität auf verschiedene Weise beeinflussen. Insbesondere können Methylgruppen den Kontakt eines Transkriptionsfaktors (ein Protein, das den Prozess der Messenger-RNA-Synthese auf einer DNA-Matrize steuert) mit bestimmten DNA-Regionen physikalisch verhindern. Andererseits arbeiten sie mit Methylcytosin-bindenden Proteinen zusammen und sind am Prozess der Umgestaltung von Chromatin beteiligt – der Substanz, aus der die Chromosomen bestehen und die Erbinformationen speichern.

Verantwortlich für den Zufall

Fast alle Frauen wissen, dass die Einnahme von Folsäure während der Schwangerschaft sehr wichtig ist. Folsäure dient zusammen mit Vitamin B12 und der Aminosäure Methionin als Spender und Lieferant von Methylgruppen, die für den normalen Ablauf des Methylierungsprozesses notwendig sind. Vitamin B12 und Methionin sind aus einer vegetarischen Ernährung kaum zu gewinnen, da sie hauptsächlich in tierischen Produkten vorkommen, sodass Fastendiäten der werdenden Mutter für das Kind unangenehmste Folgen haben können. Kürzlich wurde festgestellt, dass ein Mangel an diesen beiden Substanzen sowie an Folsäure in der Nahrung zu einer Verletzung der Chromosomendivergenz beim Fötus führen kann. Und dadurch erhöht sich das Risiko, ein Kind mit Down-Syndrom zu bekommen, was normalerweise einfach als tragischer Unfall angesehen wird, erheblich.
Es ist auch bekannt, dass Unterernährung und Stress während der Schwangerschaft die Konzentration einer Reihe von Hormonen im Körper der Mutter und des Fötus verschlechtern – Glukokortikoide, Katecholamine, Insulin, Wachstumshormon usw. Aus diesem Grund beginnt der Embryo zu leiden negative epigenetische Veränderungen in den Zellen des Hypothalamus und der Hypophyse Dadurch besteht die Gefahr, dass das Baby mit einer gestörten Funktion des Hypothalamus-Hypophysen-Regulationssystems zur Welt kommt. Dadurch wird er weniger in der Lage sein, Stress ganz anderer Art zu bewältigen: Infektionen, körperlicher und geistiger Stress usw. Es ist ganz offensichtlich, dass die Mutter durch schlechte Ernährung und Sorgen während der Schwangerschaft ihr ungeborenes Kind zum Verlierer macht der von allen Seiten verletzlich ist.

Methylierung ist an vielen Prozessen beteiligt, die mit der Entwicklung und Bildung aller Organe und Systeme des Menschen zusammenhängen. Eine davon ist die Inaktivierung der X-Chromosomen im Embryo. Wie bekannt ist, verfügen weibliche Säugetiere über zwei Kopien der Geschlechtschromosomen, die als X-Chromosom bezeichnet werden, und männliche Säugetiere begnügen sich mit einem X- und einem Y-Chromosom, die in Größe und Umfang der genetischen Informationen viel kleiner sind. Um die Menge der produzierten Genprodukte (RNA und Proteine) bei Männern und Frauen anzugleichen, werden bei Frauen die meisten Gene auf einem der X-Chromosomen ausgeschaltet.

Der Höhepunkt dieses Prozesses findet im Blastozystenstadium statt, wenn der Embryo aus 50–100 Zellen besteht. In jeder Zelle wird das zu inaktivierende Chromosom (väterlich oder mütterlicherseits) zufällig ausgewählt und bleibt in allen nachfolgenden Generationen dieser Zelle inaktiv. Mit diesem Prozess der „Vermischung“ der väterlichen und mütterlichen Chromosomen ist die Tatsache verbunden, dass Frauen viel seltener an Krankheiten leiden, die mit dem X-Chromosom in Zusammenhang stehen.

Methylierung spielt eine wichtige Rolle bei der Zelldifferenzierung, dem Prozess, durch den sich „generalistische“ embryonale Zellen zu spezialisierten Zellen von Geweben und Organen entwickeln. Muskelfasern, Knochengewebe, Nervenzellen- Sie alle entstehen aufgrund der Aktivität eines genau definierten Teils des Genoms. Es ist auch bekannt, dass Methylierung eine führende Rolle bei der Unterdrückung der meisten Arten von Onkogenen sowie einiger Viren spielt.

Die DNA-Methylierung hat von allen epigenetischen Mechanismen die größte praktische Bedeutung, da sie in direktem Zusammenhang mit der Ernährung, dem emotionalen Status, der Gehirnaktivität und anderen externen Faktoren steht.

Daten, die diese Schlussfolgerung gut stützen, wurden zu Beginn dieses Jahrhunderts von amerikanischen und europäischen Forschern gesammelt. Wissenschaftler untersuchten ältere Niederländer, die unmittelbar nach dem Krieg geboren wurden. Die Schwangerschaft ihrer Mütter fiel mit einer sehr schwierigen Zeit zusammen, als es im Winter 1944/45 in Holland zu einer wahren Hungersnot kam. Wissenschaftler konnten feststellen: stark Emotionaler Stress und die halbverhungerte Ernährung von Müttern hatte den negativsten Einfluss auf die Gesundheit zukünftiger Kinder. Da sie mit niedrigem Geburtsgewicht geboren wurden, war die Wahrscheinlichkeit, im Erwachsenenalter an Herzerkrankungen, Fettleibigkeit und Diabetes zu leiden, um ein Vielfaches höher als bei ihren Landsleuten, die ein oder zwei Jahre später (oder früher) geboren wurden.

Eine Analyse ihres Genoms zeigte, dass die DNA-Methylierung genau in den Bereichen fehlt, in denen sie den Erhalt der Gesundheit gewährleistet. So war bei älteren niederländischen Männern, deren Mütter die Hungersnot überlebten, die Methylierung des Gens für den insulinähnlichen Wachstumsfaktor (IGF) merklich verringert, weshalb die Menge an IGF im Blut anstieg. Und dieser Faktor steht, wie Wissenschaftler sehr gut wissen, in einem umgekehrten Verhältnis zur Lebenserwartung: Je höher der IGF-Spiegel im Körper, desto kürzer das Leben.

Später entdeckte der amerikanische Wissenschaftler Lambert Lumet, dass in der nächsten Generation auch Kinder, die in die Familien dieser Niederländer hineingeboren wurden, mit ungewöhnlich niedrigem Gewicht geboren wurden und häufiger als andere an allen altersbedingten Krankheiten litten, obwohl ihre Eltern recht wohlhabend lebten und gut gegessen. Die Gene erinnerten sich an Informationen über die Hungerperiode der Großmütter und gaben sie über Generationen hinweg an ihre Enkelkinder weiter.

Gene sind kein Todesurteil

Zusätzlich zu Stress und Unterernährung kann die Gesundheit des Fötus durch zahlreiche Substanzen beeinträchtigt werden, die die normale Hormonregulation beeinträchtigen. Sie werden „endokrine Disruptoren“ (Zerstörer) genannt. Diese Stoffe sind in der Regel künstlicher Natur: Die Menschheit gewinnt sie industriell für ihren Bedarf.

Das auffälligste und negativste Beispiel ist vielleicht Bisphenol-A, das seit vielen Jahren als Härter bei der Herstellung von Kunststoffprodukten verwendet wird. Es kommt in einigen Typen vor Kunststoffbehälter- Flaschen für Wasser und Getränke, Lebensmittelbehälter.

Die negative Wirkung von Bisphenol-A auf den Körper besteht in seiner Fähigkeit, freie Methylgruppen, die für die Methylierung notwendig sind, zu „zerstören“ und die Enzyme zu hemmen, die diese Gruppen an die DNA binden. Biologen der Harvard Medical School haben die Fähigkeit von Bisphenol-A entdeckt, die Eizellreifung zu hemmen und dadurch zu Unfruchtbarkeit zu führen. Ihre Kollegen von der Columbia University entdeckten die Fähigkeit von Bisphenol-A, Unterschiede zwischen den Geschlechtern zu beseitigen und die Geburt von Nachkommen mit homosexuellen Tendenzen zu stimulieren. Unter dem Einfluss von Bisphenol wurde die normale Methylierung von Genen gestört, die Rezeptoren für Östrogen und weibliche Sexualhormone kodieren. Aus diesem Grund wurden männliche Mäuse mit einem „weiblichen“, fügsamen und ruhigen Charakter geboren.

Glücklicherweise gibt es Lebensmittel, die sich positiv auf das Epigenom auswirken. Beispielsweise kann der regelmäßige Konsum von grünem Tee das Krebsrisiko senken, da er eine bestimmte Substanz (Epigallocatechin-3-Gallat) enthält, die Tumorsuppressorgene (Suppressoren) durch Demethylierung ihrer DNA aktivieren kann. In den letzten Jahren erfreut sich der Modulator epigenetischer Prozesse Genistein, der in Sojaprodukten enthalten ist, großer Beliebtheit. Viele Forscher bringen den Sojagehalt in der Ernährung von Bewohnern asiatischer Länder mit deren geringerer Anfälligkeit für bestimmte altersbedingte Krankheiten in Verbindung.

Die Untersuchung epigenetischer Mechanismen hat uns geholfen, eine wichtige Wahrheit zu verstehen: So viel im Leben hängt von uns selbst ab. Im Gegensatz zu relativ stabilen genetischen Informationen können epigenetische „Markierungen“ unter bestimmten Bedingungen reversibel sein. Diese Tatsache ermöglicht es uns, auf grundlegend neue Methoden zur Bekämpfung häufiger Krankheiten zu zählen, die auf der Beseitigung jener epigenetischen Veränderungen basieren, die beim Menschen unter dem Einfluss ungünstiger Faktoren entstanden sind. Der Einsatz von Ansätzen zur Korrektur des Epigenoms eröffnet uns große Perspektiven.

Die Epigenetik ist ein relativ junger Zweig der biologischen Wissenschaft und noch nicht so weit verbreitet wie die Genetik. Darunter versteht man einen Zweig der Genetik, der vererbbare Veränderungen der Genaktivität während der Entwicklung eines Organismus oder der Zellteilung untersucht.

Epigenetische Veränderungen gehen nicht mit einer Neuanordnung der Nukleotidsequenz in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) einher.

Im Körper gibt es im Genom selbst verschiedene regulatorische Elemente, die die Funktion von Genen steuern, auch in Abhängigkeit von internen und externe Faktoren. Lange Zeit wurde die Epigenetik nicht erkannt, da es kaum Informationen über die Natur epigenetischer Signale und die Mechanismen ihrer Umsetzung gab.

Struktur des menschlichen Genoms

Im Jahr 2002 wurde als Ergebnis langjähriger Bemühungen einer Vielzahl von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern die Entschlüsselung der Struktur des menschlichen Erbapparates, der im Haupt-DNA-Molekül enthalten ist, abgeschlossen. Dies ist eine der herausragenden Errungenschaften der Biologie zu Beginn des 21. Jahrhunderts.

Die DNA, die alle Erbinformationen eines bestimmten Organismus enthält, wird als Genom bezeichnet. Gene sind einzelne Regionen, die einen sehr kleinen Teil des Genoms einnehmen, aber gleichzeitig dessen Grundlage bilden. Jedes Gen ist für die Übermittlung von Daten über die Struktur von Ribonukleinsäure (RNA) und Protein im menschlichen Körper verantwortlich. Die Strukturen, die Erbinformationen übermitteln, werden Kodierungssequenzen genannt. Das Genomprojekt lieferte Daten, die schätzten, dass das menschliche Genom mehr als 30.000 Gene enthält. Derzeit wird aufgrund neuer Ergebnisse der Massenspektrometrie geschätzt, dass das Genom etwa 19.000 Gene enthält.

Die genetische Information jedes Menschen ist im Zellkern enthalten und befindet sich in speziellen Strukturen, den sogenannten Chromosomen. Jede Körperzelle enthält zwei vollständige (diploide) Chromosomensätze. Jeder einzelne Satz (haploid) enthält 23 Chromosomen – 22 gewöhnliche (Autosomen) und jeweils ein Geschlechtschromosom – X oder Y.

DNA-Moleküle, die in allen Chromosomen jeder menschlichen Zelle enthalten sind, sind zwei Polymerketten, die zu einer regelmäßigen Doppelhelix verdreht sind.

Beide Ketten werden durch vier Basen zusammengehalten: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thiamin (T). Darüber hinaus kann sich die Base A einer Kette nur mit der Base T einer anderen Kette verbinden, und ebenso kann sich die Base G mit der Base C verbinden. Dies wird als Prinzip der Basenpaarung bezeichnet. In anderen Varianten stört die Paarung die gesamte Integrität der DNA.

DNA existiert in einem engen Komplex mit speziellen Proteinen und zusammen bilden sie Chromatin.

Histone sind Nukleoproteine, die die Hauptbestandteile des Chromatins sind. Sie neigen dazu, neue Substanzen zu bilden, indem sie zwei verbinden Strukturelemente in einen Komplex (Dimer) umgewandelt, der ein Merkmal für die anschließende epigenetische Modifikation und Regulierung darstellt.

DNA, die genetische Informationen speichert, reproduziert (verdoppelt) sich bei jeder Zellteilung, das heißt, sie erstellt exakte Kopien von sich selbst (Replikation). Bei der Zellteilung werden die Bindungen zwischen den beiden Strängen der DNA-Doppelhelix aufgebrochen und die Stränge der Helix getrennt. Dann wird auf jedem von ihnen ein Tochterstrang der DNA aufgebaut. Dadurch verdoppelt sich das DNA-Molekül und es entstehen Tochterzellen.

DNA dient als Vorlage, auf der die Synthese verschiedener RNAs (Transkription) erfolgt. Dieser Prozess (Replikation und Transkription) findet im Zellkern statt und beginnt in einer Region des Gens, dem sogenannten Promotor, wo Proteinkomplexe an kopierte DNA binden und so Boten-RNA (mRNA) bilden.

Letzterer wiederum dient nicht nur als Träger von DNA-Informationen, sondern auch als Träger dieser Informationen für die Synthese von Proteinmolekülen an Ribosomen (Translationsprozess).

Derzeit ist bekannt, dass proteinkodierende Regionen des menschlichen Gens (Exons) nur 1,5 % des Genoms ausmachen. Der größte Teil des Genoms hat nichts mit Genen zu tun und ist im Hinblick auf die Informationsübertragung inert. Die identifizierten Genregionen, die nicht für Proteine ​​kodieren, werden Introns genannt.

Die erste aus DNA hergestellte Kopie der mRNA enthält den gesamten Satz an Exons und Introns. Danach entfernen spezialisierte Proteinkomplexe alle Intronsequenzen und verbinden Exons miteinander. Dieser Bearbeitungsvorgang wird Spleißen genannt.

Die Epigenetik erklärt einen Mechanismus, mit dem eine Zelle die Synthese des von ihr produzierten Proteins steuern kann, indem sie zunächst bestimmt, wie viele Kopien von mRNA aus DNA hergestellt werden können.

Das Genom ist also kein eingefrorenes Stück DNA, sondern eine dynamische Struktur, ein Informationsspeicher, der nicht nur auf Gene reduziert werden kann.

Die Entwicklung und Funktion einzelner Zellen und des gesamten Organismus ist nicht automatisch in einem Genom programmiert, sondern hängt von vielen verschiedenen inneren und äußeren Faktoren ab. Mit zunehmendem Wissen wird klar, dass es im Genom selbst mehrere regulatorische Elemente gibt, die die Funktion von Genen steuern. Dies wird mittlerweile durch viele experimentelle Studien an Tieren bestätigt.

Bei der Teilung während der Mitose können Tochterzellen von ihren Eltern nicht nur direkte genetische Informationen in Form einer neuen Kopie aller Gene, sondern auch ein bestimmtes Maß an Aktivität erben. Diese Art der Vererbung genetischer Informationen wird epigenetische Vererbung genannt.

Epigenetische Mechanismen der Genregulation

Gegenstand der Epigenetik ist die Untersuchung der Vererbung von Genaktivitäten, die nicht mit Veränderungen in der Primärstruktur ihrer DNA einhergehen. Epigenetische Veränderungen zielen darauf ab, den Körper an die sich ändernden Bedingungen seiner Existenz anzupassen.

Der Begriff „Epigenetik“ wurde erstmals 1942 vom englischen Genetiker Waddington vorgeschlagen. Der Unterschied zwischen genetischen und epigenetischen Vererbungsmechanismen liegt in der Stabilität und Reproduzierbarkeit von Wirkungen.

Genetische Merkmale bleiben auf unbestimmte Zeit fixiert, bis eine Mutation im Gen auftritt. Epigenetische Veränderungen spiegeln sich normalerweise innerhalb der Lebensdauer einer Generation eines Organismus in Zellen wider. Wenn diese Veränderungen an die nächsten Generationen weitergegeben werden, können sie in 3-4 Generationen reproduziert werden, und wenn dann der stimulierende Faktor verschwindet, verschwinden diese Transformationen.

Die molekulare Grundlage der Epigenetik ist durch die Veränderung des genetischen Apparats gekennzeichnet, d. h. durch die Aktivierung und Unterdrückung von Genen, die die Primärsequenz von DNA-Nukleotiden nicht beeinflussen.

Die epigenetische Regulierung von Genen erfolgt auf der Ebene der Transkription (Zeitpunkt und Art der Gentranskription), bei der Auswahl reifer mRNAs für den Transport in das Zytoplasma, bei der Auswahl von mRNA im Zytoplasma für die Translation auf Ribosomen und bei der Destabilisierung bestimmter Typen von mRNA im Zytoplasma, selektive Aktivierung, Inaktivierung von Proteinmolekülen nach ihrer Synthese.

Die Sammlung epigenetischer Marker repräsentiert das Epigenom. Epigenetische Transformationen können den Phänotyp beeinflussen.

Die Epigenetik spielt eine wichtige Rolle bei der Funktion gesunder Zellen, indem sie die Aktivierung und Unterdrückung von Genen sicherstellt, bei der Kontrolle von Transposons, also DNA-Abschnitten, die sich innerhalb des Genoms bewegen können, sowie beim Austausch von genetischem Material in Chromosomen.

Epigenetische Mechanismen sind an der genomischen Prägung beteiligt, einem Prozess, bei dem die Expression bestimmter Gene abhängig davon erfolgt, von welchem ​​Elternteil die Allele stammen. Die Prägung erfolgt durch den Prozess der DNA-Methylierung in Promotoren, wodurch die Gentranskription blockiert wird.

Epigenetische Mechanismen sorgen für die Initiierung von Prozessen im Chromatin durch Histonmodifikationen und DNA-Methylierung. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich die Vorstellungen über die Mechanismen der Transkriptionsregulation in Eukaryoten erheblich verändert. Das klassische Modell geht davon aus, dass das Ausmaß der Expression durch Transkriptionsfaktoren bestimmt wird, die an regulatorische Regionen des Gens binden und die Synthese von Boten-RNA initiieren. Histone und Nicht-Histon-Proteine ​​spielten die Rolle einer passiven Verpackungsstruktur, um eine kompakte Verpackung der DNA im Zellkern sicherzustellen.

Nachfolgende Studien zeigten die Rolle von Histonen bei der Regulation der Translation. Entdeckt wurde der sogenannte Histon-Code, also eine Modifikation von Histonen, die in verschiedenen Regionen des Genoms unterschiedlich ist. Veränderte Histoncodes können zur Aktivierung und Unterdrückung von Genen führen.

Verschiedene Teile der Genomstruktur unterliegen Veränderungen. An die terminalen Reste können Methyl-, Acetyl-, Phosphatgruppen und größere Proteinmoleküle angehängt werden.

Alle Modifikationen sind reversibel und für jede gibt es Enzyme, die sie installieren oder entfernen.

DNA-Methylierung

Bei Säugetieren wurde die DNA-Methylierung (ein epigenetischer Mechanismus) früher als bei anderen untersucht. Es wurde gezeigt, dass es mit der Genrepression korreliert. Experimentelle Daten zeigen, dass die DNA-Methylierung ein Schutzmechanismus ist, der einen erheblichen Teil des Genoms fremder Natur (Viren usw.) unterdrückt.

Die DNA-Methylierung in der Zelle steuert alle genetischen Prozesse: Replikation, Reparatur, Rekombination, Transkription und Inaktivierung des X-Chromosoms. Methylgruppen stören die DNA-Protein-Wechselwirkungen und verhindern so die Bindung von Transkriptionsfaktoren. Die DNA-Methylierung beeinflusst die Chromatinstruktur und blockiert Transkriptionsrepressoren.

Tatsächlich korreliert ein Anstieg des DNA-Methylierungsgrads mit einem relativen Anstieg des Gehalts an nichtkodierender und repetitiver DNA in den Genomen höherer Eukaryoten. Experimentelle Beweise deuten darauf hin, dass dies geschieht, weil die DNA-Methylierung in erster Linie dazu dient Verteidigungsmechanismus, um einen erheblichen Teil des Genoms fremden Ursprungs zu unterdrücken (replizierte translozierende Elemente, virale Sequenzen, andere repetitive Sequenzen).

Das Methylierungsprofil – Aktivierung oder Hemmung – ändert sich je nach Umweltfaktoren. Der Einfluss der DNA-Methylierung auf die Chromatinstruktur hat sehr wichtig für die Entwicklung und das Funktionieren eines gesunden Organismus, um einen erheblichen Teil des Genoms fremden Ursprungs zu unterdrücken, d. h. replizierte transiente Elemente, virale und andere repetitive Sequenzen.

Die DNA-Methylierung erfolgt durch eine reversible chemische Reaktion der stickstoffhaltigen Base Cytosin, die zur Addition einer CH3-Methylgruppe an den Kohlenstoff führt, um Methylcytosin zu bilden. Dieser Prozess wird durch DNA-Methyltransferase-Enzyme katalysiert. Für die Methylierung von Cytosin ist Guanin erforderlich, was zur Bildung von zwei durch ein Phosphat (CpG) getrennten Nukleotiden führt.

Cluster inaktiver CpG-Sequenzen werden CpG-Inseln genannt. Letztere sind im Genom ungleichmäßig vertreten. Die meisten davon werden in Genpromotoren nachgewiesen. DNA-Methylierung findet in Genpromotoren, in transkribierten Regionen und auch in intergenen Räumen statt.

Hypermethylierte Inseln verursachen eine Geninaktivierung, die die Interaktion regulatorischer Proteine ​​mit Promotoren stört.

Die DNA-Methylierung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Genexpression und letztendlich auf die Funktion von Zellen, Geweben und dem Körper als Ganzes. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen dem hohen Grad der DNA-Methylierung und der Anzahl unterdrückter Gene festgestellt.

Die Entfernung von Methylgruppen aus der DNA aufgrund der fehlenden Methylaseaktivität (passive Demethylierung) erfolgt nach der DNA-Replikation. An der aktiven Demethylierung ist ein enzymatisches System beteiligt, das 5-Methylcytosin unabhängig von der Replikation in Cytosin umwandelt. Das Methylierungsprofil ändert sich abhängig von den Umweltfaktoren, in denen sich die Zelle befindet.

Der Verlust der Fähigkeit, die DNA-Methylierung aufrechtzuerhalten, kann zu einer Immunschwäche führen. bösartige Tumore und andere Krankheiten.

Der Mechanismus und die Enzyme, die am Prozess der aktiven DNA-Demethylierung beteiligt sind, blieben lange Zeit unbekannt.

Histonacetylierung

Es gibt eine große Anzahl posttranslationaler Modifikationen von Histonen, die Chromatin bilden. In den 1960er Jahren identifizierte Vincent Allfrey die Histonacetylierung und -phosphorylierung bei vielen Eukaryoten.

Bei der Transkription spielen Histonacetylierungs- und -deacetylierungsenzyme (Acetyltransferasen) eine Rolle. Diese Enzyme katalysieren die Acetylierung lokaler Histone. Histondeacetylasen unterdrücken die Transkription.

Der Effekt der Acetylierung ist die Schwächung der Bindung zwischen DNA und Histonen aufgrund einer Ladungsänderung, was dazu führt, dass Chromatin für Transkriptionsfaktoren zugänglich wird.

Unter Acetylierung versteht man die Anfügung einer chemischen Acetylgruppe (der Aminosäure Lysin) an eine freie Stelle des Histons. Wie die DNA-Methylierung ist die Lysinacetylierung ein epigenetischer Mechanismus zur Veränderung der Genexpression, ohne die ursprüngliche Gensequenz zu beeinflussen. Das Muster, nach dem Modifikationen von Kernproteinen erfolgen, wurde als Histoncode bezeichnet.

Histonmodifikationen unterscheiden sich grundlegend von der DNA-Methylierung. Die DNA-Methylierung ist ein sehr stabiler epigenetischer Eingriff, der in den meisten Fällen eher behoben werden kann.

Die überwiegende Mehrheit der Histonmodifikationen ist variabler. Sie beeinflussen die Regulierung der Genexpression, die Aufrechterhaltung der Chromatinstruktur, die Zelldifferenzierung, die Karzinogenese, die Entwicklung genetischer Krankheiten, das Altern, die DNA-Reparatur, die Replikation und die Translation. Wenn Histonmodifikationen der Zelle zugute kommen, können sie recht lange anhalten.

Einer der Mechanismen der Interaktion zwischen Zytoplasma und Zellkern ist die Phosphorylierung und/oder Dephosphorylierung von Transkriptionsfaktoren. Histone gehörten zu den ersten Proteinen, bei denen entdeckt wurde, dass sie phosphoryliert waren. Dies geschieht mit Hilfe von Proteinkinasen.

Gene stehen unter der Kontrolle phosphorylierbarer Transkriptionsfaktoren, darunter auch Gene, die die Zellproliferation regulieren. Bei solchen Modifikationen kommt es zu strukturellen Veränderungen in chromosomalen Proteinmolekülen, die zu funktionellen Veränderungen im Chromatin führen.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen posttranslationalen Modifikationen von Histonen gibt es größere Proteine ​​wie Ubiquitin, SUMO usw., die sich über kovalente Bindungen an die Aminoseitengruppen des Zielproteins binden und so deren Aktivität beeinflussen können.

Epigenetische Veränderungen können vererbt werden (transgenerative epigenetische Vererbung). Im Gegensatz zur genetischen Information können epigenetische Veränderungen jedoch in drei bis vier Generationen reproduziert werden, und wenn kein Faktor vorhanden ist, der diese Veränderungen stimuliert, verschwinden sie. Die Übertragung epigenetischer Informationen erfolgt im Rahmen der Meiose (Teilung des Zellkerns mit Halbierung der Chromosomenzahl) oder Mitose (Zellteilung).

Histonmodifikationen spielen eine grundlegende Rolle bei normalen Prozessen und Krankheiten.

Regulatorische RNAs

RNA-Moleküle erfüllen in der Zelle viele Funktionen. Eine davon ist die Regulierung der Genexpression. Für diese Funktion sind regulatorische RNAs verantwortlich, zu denen Antisense-RNA (aRNA), microRNA (miRNA) und Small Interfering RNA (siRNA) gehören.

Der Wirkungsmechanismus verschiedener regulatorischer RNAs ist ähnlich und besteht in der Unterdrückung der Genexpression, was durch die komplementäre Addition regulatorischer RNA an mRNA erreicht wird, wodurch ein doppelsträngiges Molekül (dsRNA) entsteht. Die Bildung von dsRNA selbst führt zu einer Störung der Bindung der mRNA an das Ribosom oder andere regulatorische Faktoren, wodurch die Translation unterdrückt wird. Nach der Bildung eines Duplex kann sich auch das Phänomen der RNA-Interferenz manifestieren: Das Dicer-Enzym „schneidet“ es in Fragmente, nachdem es doppelsträngige RNA in der Zelle entdeckt hat. Eine der Ketten eines solchen Fragments (siRNA) wird durch den RISC-Proteinkomplex (RNA-induzierter Silencing-Komplex) gebunden.

Durch die RISC-Aktivität bindet ein einzelsträngiges RNA-Fragment an die komplementäre Sequenz eines mRNA-Moleküls und bewirkt, dass die mRNA durch ein Protein der Argonaute-Familie geschnitten wird. Diese Ereignisse führen zur Unterdrückung der Expression des entsprechenden Gens.

Die physiologischen Funktionen regulatorischer RNAs sind vielfältig – sie fungieren als wichtigste Nicht-Protein-Regulatoren der Ontogenese und ergänzen das „klassische“ Schema der Genregulation.

Genomische Prägung

Eine Person hat zwei Kopien jedes Gens, eine von der Mutter und die andere vom Vater. Beide Kopien jedes Gens können in jeder Zelle aktiv sein. Genomische Prägung ist die epigenetisch selektive Expression nur eines der von den Eltern geerbten Allelgene. Die genomische Prägung betrifft sowohl männliche als auch weibliche Nachkommen. Somit ist ein eingeprägtes Gen, das auf dem mütterlichen Chromosom aktiv ist, bei allen männlichen und weiblichen Kindern auf dem mütterlichen Chromosom aktiv und auf dem väterlichen Chromosom „still“. Gene, die der genomischen Prägung unterliegen, kodieren hauptsächlich Faktoren, die das embryonale und neonatale Wachstum regulieren.

Geschenke bedrucken Komplexes System, was brechen kann. Bei vielen Patienten mit chromosomalen Deletionen (Verlust eines Teils der Chromosomen) wird eine Prägung beobachtet. Es sind Krankheiten bekannt, die beim Menschen aufgrund einer Fehlfunktion des Prägemechanismus auftreten.

Prionen

Im letzten Jahrzehnt wurde die Aufmerksamkeit auf Prionen gelenkt, Proteine, die vererbbare phänotypische Veränderungen verursachen können, ohne sich zu verändern Nukleotidsequenz DNA. Bei Säugetieren befindet sich das Prionprotein auf der Oberfläche von Zellen. Unter bestimmten Bedingungen kann sich die normale Form von Prionen verändern, was die Aktivität dieses Proteins moduliert.

Wikner zeigte sich zuversichtlich, dass diese Proteinklasse eine von vielen ist, die eine neue Gruppe epigenetischer Mechanismen darstellen, die weiterer Untersuchung bedürfen. Es kann in einem normalen Zustand vorliegen, aber in einem veränderten Zustand können sich Prionproteine ​​ausbreiten, also infektiös werden.

Ursprünglich wurden Prionen als Infektionserreger einer neuen Art entdeckt, doch mittlerweile geht man davon aus, dass sie ein allgemeines biologisches Phänomen darstellen und Träger einer neuen Art von Informationen sind, die in der Konformation eines Proteins gespeichert sind. Das Prionenphänomen liegt der epigenetischen Vererbung und der Regulierung der Genexpression auf posttranslationaler Ebene zugrunde.

Epigenetik in der praktischen Medizin

Epigenetische Veränderungen steuern alle Entwicklungsstadien und funktionellen Aktivitäten von Zellen. Störungen epigenetischer Regulationsmechanismen sind direkt oder indirekt mit vielen Krankheiten verbunden.

Zu den Krankheiten mit epigenetischer Ätiologie zählen Prägungskrankheiten, die wiederum in genetische und chromosomale Erkrankungen unterteilt werden und derzeit insgesamt 24 Nosologien umfassen.

Bei Erkrankungen der Genprägung wird eine monoallele Expression in den Chromosomenorten eines Elternteils beobachtet. Ursache sind Punktmutationen in Genen, die je nach mütterlicher und väterlicher Herkunft unterschiedlich ausgeprägt sind und zu einer spezifischen Methylierung von Cytosinbasen im DNA-Molekül führen. Dazu gehören: Prader-Willi-Syndrom (Deletion im väterlichen Chromosom 15) – manifestiert durch kraniofaziale Dysmorphie, Kleinwuchs, Fettleibigkeit, Muskelhypotonie, Hypogonadismus, Hypopigmentierung und geistige Behinderung; Angelman-Syndrom (Deletion einer kritischen Region auf dem 15. mütterlichen Chromosom), dessen Hauptsymptome eine vergrößerte Mikrobrachyzephalie sind Unterkiefer, hervorstehende Zunge, Makrostomie, spärliche Zähne, Hypopigmentierung; Beckwitt-Wiedemann-Syndrom (Methylierungsstörung im kurzen Arm von Chromosom 11), manifestiert durch die klassische Trias, einschließlich Makrosomie, Omphalozele, Makroglossie usw.

Zu den wichtigsten Faktoren, die das Epigenom beeinflussen, gehören Ernährung, körperliche Aktivität, Toxine, Viren, ionisierende Strahlung usw. Ein besonders empfindlicher Zeitraum für Veränderungen im Epigenom ist die pränatale Phase (die insbesondere zwei Monate nach der Empfängnis umfasst) und die ersten drei Monate nach der Geburt . Während der frühen Embryogenese entfernt das Genom die meisten epigenetischen Modifikationen, die es von früheren Generationen erhalten hat. Der Umprogrammierungsprozess setzt sich jedoch ein Leben lang fort.

Zu den Krankheiten, bei denen eine Störung der Genregulation Teil der Pathogenese ist, gehören einige Tumorarten, Diabetes mellitus, Fettleibigkeit, Bronchialasthma, verschiedene degenerative und andere Krankheiten.

Das Epigon bei Krebs ist durch globale Veränderungen in der DNA-Methylierung, Histonmodifikation sowie Veränderungen im Expressionsprofil von Chromatin-modifizierenden Enzymen gekennzeichnet.

Tumorprozesse sind durch Inaktivierung durch Hypermethylierung wichtiger Suppressorgene und durch Hypomethylierung durch Aktivierung einer Reihe von Onkogenen, Wachstumsfaktoren (IGF2, TGF) und mobilen Wiederholungselementen in Regionen des Heterochromatins gekennzeichnet.

So war in 19 % der Fälle von hypernephroiden Nierentumoren die DNA der CpG-Inseln hypermethyliert, und bei Brustkrebs und nichtkleinzelligem Lungenkarzinom wurde ein Zusammenhang zwischen dem Grad der Histonacetylierung und der Expression eines Tumorsuppressors festgestellt – Je niedriger die Acetylierung, desto schwächer ist die Genexpression.

Derzeit wurden bereits Antitumormedikamente entwickelt und in die Praxis umgesetzt. Medikamente, basierend auf der Unterdrückung der Aktivität von DNA-Methyltransferasen, was zu einer Verringerung der DNA-Methylierung, einer Aktivierung von Tumorsuppressorgenen und einer Verlangsamung der Proliferation von Tumorzellen führt. So werden zur Behandlung des myelodysplastischen Syndroms in der komplexen Therapie die Medikamente Decitabin (Decitabin) und Azacitidin (Azacitidin) eingesetzt. Seit 2015 wird Panibinostat, ein Histon-Deacytylase-Hemmer, in Kombination mit einer klassischen Chemotherapie zur Behandlung des multiplen Myeloms eingesetzt. Diese Medikamente laut Daten klinische Versuche wirken sich deutlich positiv auf die Überlebensrate und Lebensqualität der Patienten aus.

Auch durch die Einwirkung von Umweltfaktoren auf die Zelle kann es zu Veränderungen in der Expression bestimmter Gene kommen. Bei der Entstehung von Diabetes mellitus Typ 2 und Fettleibigkeit spielt die sogenannte „Sparsamkeits-Phänotyp-Hypothese“ eine Rolle, wonach das Fehlen von Nährstoffe während der Embryonalentwicklung führt zur Entwicklung eines pathologischen Phänotyps. In Tiermodellen wurde eine DNA-Region (Pdx1-Locus) identifiziert, in der unter dem Einfluss von Mangelernährung der Grad der Histonacetylierung abnahm, während gleichzeitig eine Verlangsamung der Teilung und eine beeinträchtigte Differenzierung der B-Zellen der Langerhans-Inseln und deren Entwicklung eintraten Es wurden Erkrankungen beobachtet, die einem Diabetes mellitus Typ 2 ähneln.

Auch die diagnostischen Möglichkeiten der Epigenetik entwickeln sich aktiv weiter. Es entstehen neue Technologien, die epigenetische Veränderungen (DNA-Methylierungsgrad, microRNA-Expression, posttranslationale Modifikationen von Histonen usw.) analysieren können, wie etwa Chromatin-Immunpräzipitation (CHIP), Durchflusszytometrie und Laserscanning, was Anlass zu der Annahme gibt, dass Biomarker dies tun werden für die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen, seltener, multifaktorieller Erkrankungen und bösartiger Neoplasien in naher Zukunft identifiziert und als Methoden eingeführt werden Labordiagnostik.

Die Epigenetik entwickelt sich derzeit also rasant weiter. Damit verbunden sind Fortschritte in Biologie und Medizin.

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V. V. Smirnov 1, Doktor der medizinischen Wissenschaften, Professor
G. E. Leonov

Nach ihr benannte föderale staatliche Haushaltsbildungseinrichtung der Russischen Nationalen Forschungsuniversität. N. I. Pirogova Gesundheitsministerium der Russischen Föderation, Moskau

Die Epigenetik ist ein relativ neuer Zweig der Genetik, der als eine der wichtigsten biologischen Entdeckungen seit der Entdeckung der DNA bezeichnet wird. Früher war es so, dass die Gene, mit denen wir geboren werden, unwiderruflich unser Leben bestimmen. Mittlerweile ist jedoch bekannt, dass Gene unter dem Einfluss verschiedener Lebensstilfaktoren ein- oder ausgeschaltet und mehr oder weniger exprimiert werden können.

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Epigenetik: Änderungen des Lebensstils sind der Schlüssel zur Veränderung von Genen

Epigenetik - eine Wissenschaft, die Prozesse untersucht, die zu Veränderungen der Genaktivität führen, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. Einfach ausgedrückt untersucht die Epigenetik die Auswirkungen externer Faktoren auf die Genaktivität.

Das Human Genome Project identifizierte 25.000 Gene in der menschlichen DNA. DNA kann als der Code bezeichnet werden, den ein Organismus verwendet, um sich selbst aufzubauen und wieder aufzubauen. Allerdings benötigen die Gene selbst „Anweisungen“, anhand derer sie die notwendigen Maßnahmen und den Zeitpunkt ihrer Umsetzung festlegen.

Epigenetische Veränderungen sind die eigentliche Anleitung.

Es gibt verschiedene Arten solcher Modifikationen, aber die beiden wichtigsten betreffen Methylgruppen (Kohlenstoff und Wasserstoff) und Histone (Proteine).

Um zu verstehen, wie Modifikationen funktionieren, stellen Sie sich vor, dass ein Gen eine Glühbirne ist. Methylgruppen fungieren als Lichtschalter (d. h. ein Gen) und Histone fungieren als Lichtregulator (d. h. sie regulieren den Grad der Genaktivität). Man geht also davon aus, dass ein Mensch über vier Millionen dieser Schalter verfügt, die unter dem Einfluss des Lebensstils und äußerer Faktoren aktiviert werden.

Der Schlüssel zum Verständnis des Einflusses externer Faktoren auf die Genaktivität war die Beobachtung des Lebens eineiiger Zwillinge. Beobachtungen haben gezeigt, wie stark sich die Gene solcher Zwillinge verändern können, die unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen unterschiedliche Lebensstile führen.

Eineiige Zwillinge sollen „gemeinsame“ Krankheiten haben, doch das ist oft nicht der Fall: Alkoholismus, Alzheimer, bipolare Störung, Schizophrenie, Diabetes, Krebs, Morbus Crohn und rheumatoide Arthritis können abhängig von verschiedenen Faktoren nur bei einem Zwilling auftreten. Der Grund dafür ist epigenetische Drift- altersbedingte Veränderungen der Genexpression.

Geheimnisse der Epigenetik: Wie Lebensstilfaktoren Gene beeinflussen

Forschungen in der Epigenetik haben gezeigt, dass nur 5 % der krankheitsassoziierten Genmutationen vollständig deterministisch sind; die restlichen 95 % können durch Ernährung, Verhalten und andere Umweltfaktoren beeinflusst werden. Das Programm für einen gesunden Lebensstil ermöglicht es Ihnen, die Aktivität von 4000 bis 5000 verschiedenen Genen zu verändern.

Wir sind nicht einfach die Summe der Gene, mit denen wir geboren wurden. Es ist der Mensch, der es nutzt, er ist es, der seine Gene kontrolliert. Dabei ist es nicht so wichtig, welche „genetischen Karten“ Ihnen die Natur gegeben hat – entscheidend ist, was Sie damit machen.

Die Epigenetik steckt noch in den Kinderschuhen und es gibt noch viel zu lernen, aber es gibt Wissen über die wichtigsten Lebensstilfaktoren, die die Genexpression beeinflussen.

1. Ernährung, Schlaf und Bewegung

Es ist nicht überraschend, dass die Ernährung den Zustand der DNA beeinflussen kann. Eine Ernährung mit hohem Anteil an verarbeiteten Kohlenhydraten führt zu DNA-Angriffen hohe Levels Blutzucker. Andererseits kann ein DNA-Schaden rückgängig gemacht werden durch:

• Sulforaphan (in Brokkoli enthalten);
• Curcumin (in Kurkuma enthalten);
• Epigallocatechin-3-gallat (in grünem Tee enthalten);
• Resveratrol (in Trauben und Wein enthalten).

Wenn es um den Schlaf geht, wirkt sich bereits eine Woche Schlafentzug negativ auf die Aktivität von mehr als 700 Genen aus. Die Genexpression (117) wird durch körperliche Betätigung positiv beeinflusst.

1. Stress, Beziehungen und sogar Gedanken

Epigenetiker argumentieren, dass nicht nur „materielle“ Faktoren wie Ernährung, Schlaf und Bewegung die Gene beeinflussen. Wie sich herausstellt, sind Stress, Beziehungen zu Menschen und Ihre Gedanken ebenfalls wichtige Faktoren, die die Genexpression beeinflussen. Also:

• Meditation unterdrückt die Expression entzündungsfördernder Gene und hilft so, Entzündungen zu bekämpfen, d. h. Schutz vor Alzheimer, Krebs, Herzerkrankungen und Diabetes; Darüber hinaus ist die Wirkung einer solchen Übung nach 8 Stunden Training sichtbar;
• 400 wissenschaftliche Forschung haben gezeigt, dass der Ausdruck von Dankbarkeit, Freundlichkeit, Optimismus und verschiedene Techniken, die Geist und Körper einbeziehen, einen positiven Einfluss auf die Genexpression haben;
• Bewegungsmangel, schlechte Ernährung, ständige negative Emotionen, Giftstoffe und schlechte Gewohnheiten sowie Traumata und Stress lösen negative epigenetische Veränderungen aus.

Dauerhaftigkeit epigenetischer Veränderungen und die Zukunft der Epigenetik

Eine der aufregendsten und umstrittensten Entdeckungen ist, dass epigenetische Veränderungen an nachfolgende Generationen weitergegeben werden, ohne dass sich die Gensequenz ändert. Dr. Mitchell Gaynor, Autor von The Plan Gentherapie: Übernehmen Sie die Kontrolle über Ihr genetisches Schicksal durch Ernährung und Lebensstil“, glaubt, dass die Genexpression auch vererbt wird.

Die Epigenetik, sagt Dr. Randy Jirtle, zeigt, dass wir auch für die Integrität unseres Genoms verantwortlich sind. Früher glaubten wir, dass alles von den Genen abhängt. Die Epigenetik ermöglicht es uns zu verstehen, dass unser Verhalten und unsere Gewohnheiten die Expression von Genen in zukünftigen Generationen beeinflussen können.

Epigenetik ist eine komplexe Wissenschaft mit enormem Potenzial. Experten haben noch viel Arbeit vor sich, um herauszufinden, welche Umweltfaktoren genau unsere Gene beeinflussen, wie wir Krankheiten rückgängig machen können (und ob) oder sie möglichst effektiv verhindern können.