Regler am Mischpult der Gene

Birgit Dalheimer | aus HEUREKA 5/08 vom 17.12.2008

Werden durch die Umwelt bedingte Veränderungen eines Organismus vererbt? Epigenetische Forschungen liefern erste Hinweise darauf – und könnten so auch zu einem Revival des Lamarckismus führen.

Ungleiche Zwillinge. Die beiden gleichen einander wie ein Ei dem anderen. Als Kinder wurden sie ständig miteinander verwechselt und auch jetzt, als Erwachsene, kann man die zwei äußerlich kaum voneinander unterscheiden. Sie sind gemeinsam aufgewachsen, teilen viele Interessen – und das Risiko, an Diabetes Typ II zu erkranken. Als der eine der beiden vor kurzem mit Bauchspeicheldrüsenproblemen ins Krankenhaus eingeliefert wurde und danach eine Zeitlang Insulin spritzen musste, war der andere ernstlich um ihn besorgt. Selber Insulin spritzen musste er bislang allerdings nicht.

Jason und Gavin sind eineiige Zwillinge, und als solche haben die beiden ein identisches Erbgut. Dennoch leiden sie nicht immer und zur selben Zeit an der gleichen Krankheit. Die Information, die in ihrem Erbgut gespeichert ist, wird unterschiedlich interpretiert – vermutlich in Abhängigkeit von Umweltfaktoren wie zum Beispiel der Ernährung. Wie, dem sind Wissenschaftler seit einigen Jahren im relativ jungen Wissenschaftsgebiet der Epigenetik auf der Spur, die definiert wird als „Studium der erblichen Veränderungen in der Genomfunktion, die ohne eine Änderung der DNA-Sequenz auftreten“.

Musik des Lebens. Zu der bekannten Metapher von der DNA als „Buch des Lebens“ gesellen sich neue: zum Beispiel die vom Tonträger, auf den die Musik gebrannt ist. Wie sie abgespielt wird, hängt vom Benutzer ab. Das suggeriert ein System, das wesentlich dynamischer, vielfältiger und auf gewisse Weise beeinflussbarer ist als die starre Vorstellung vom genetischen Code, in dem der Bauplan des Lebens „festgeschrieben“ ist: Die DNA ist die CD, die epigenetischen Mechanismen, wie etwa die sogenannte DNA-Methylierung, sind die Regler am Verstärker oder Mischpult. Sie bestimmen, welche Gene in einer Zelle jeweils gelesen werden und wie intensiv dies geschieht.

Die „Regler“, das können etwa kleine Anhängsel an der Erbsequenz sein, sie können aber auch über die Art und Weise, in der die fadenförmige DNA im Zellkern aufgewickelt ist, funktionieren. Wie genau diese Regler aussehen, wird derzeit unter anderem im europäischen Epigenom-Exzellenznetzwerk und dem österreichischen Verbundprojekt „Epigenetische Kontrolle des Säugergenoms“ erforscht. Beide leitet der Genetiker Thomas Jenuwein, früher Senior Scientist am Institut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien und nunmehr Co-Direktor im Max-Planck-Institut für Immunbiologie in Freiburg.

Komplexe Wechselspiele. Die Epigenetik ist zu einem fixen und entscheidenden Bestandteil der molekulargenetischen Forschung geworden. Sie führt weit weg vom etwas starren genetischen Determinismus der 1980er- und frühen 1990er-Jahre, indem sie sich mit „all den seltsamen und wundervollen Dingen beschäftigt, die sich durch die Genetik nicht erklären lassen“, so Denise Barlow, Epigenetik-Pionierin und Gruppenleiterin am Zentrum für Molekulare Medizin (CeMM) an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien. Stattdessen wird nun wieder versucht, die molekulare Basis des komplizierten Wechselspiels zwischen Genen und Umwelt zu beschreiben.

Einige neue Untersuchungen zeigen die zum Teil dramatischen epigenetischen Effekte deutlich, zum Beispiel bei Bienen: Jene Larve, die als einzige Gelée Royale als Futter erhält, wird normalerweise zur Bienenkönigin. Im März dieses Jahres gelang es australischen Forschern, Königinnen auch ohne die Wundernahrung herzustellen: indem sie nämlich einfach einen bestimmten Mechanismus zum Ein- und Abschalten von Genen durch Methylierungen unterbrachen, also experimentell gesteuerte epigenetische Veränderungen, die in der Natur durch das Gelée Royale hervorgerufen werden.

Lamarcks Rückkehr? Hat das nicht auch einen entscheidenden Einfluss auf so grundsätzliche Theorien wie die von der Evolution des Lebens auf der Erde? Seit Charles Darwin gilt, dass Evolution auf zufälliger Mutation, Variation, Isolation und natürlicher Selektion beruht. Darwin und seine wissenschaftlichen Nachfahren haben damit die alte Idee des französischen Naturforschers Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829) abgelöst.

Der von ihm begründete Lamarckismus postulierte ja noch, dass Umweltbedingungen Veränderungen eines Organismus verursachten, und diese von äußeren Faktoren ausgelösten Modifikationen würden dann vererbt. Ein beliebtes Beispiel: Weil sich die Giraffe beim Fressen immer so zu den Blättern in die Höhe recken musste, wurde ihr Hals so lang, und den langen Hals haben ihre Nachkommen geerbt.

Die Genetikerin und Theoretikerin Eva Jablonka von der Universität Tel Aviv sah in der Epigenetik schon früh das Kernstück eines Neo-Lamarckismus, wie sie ihn bereits 1999 in ihrem Buch „Epigenetic Inheritance and Evolution: The Lamarckian Dimension“ beschrieb.

Thomas Jenuwein widerspricht in diesem Punkt: Ein molekularbiologisch fundierter Lamarckismus könne aus der neuen epigenetischen Forschung nicht begründet werden. Erstens, weil die epigenetischen Signale zwar vererbt würden, aber nicht ad infinitum: Die epigenetische Information geht oft nach 20, 30 Zellteilungen innerhalb eines Organismus wieder verloren. Und zweitens, weil es noch zu wenige Beispiele dafür gibt, dass durch Umweltfaktoren bedingte epigenetische Veränderungen von einem Individuum an seine Nachkommen weitergegeben werden.

Vererbte Vergiftungen. Die Beispiele, die es bereits gibt, sind allerdings durchaus bemerkenswert: Eine Studie bei Ratten konnte zeigen, dass sich Vergiftungen mit einem bestimmten Fungizid auch noch bis in die vierte Generation der männlichen Nachkommen durchschlagen: Die Ururenkel der vergifteten Ratten sind anfälliger für Krebs und weniger fruchtbar als andere. Und Weibchen meiden diese Rattenmännchen, als würden sie die Gefahr riechen.

Und auch beim Menschen gibt es Hinweise, dass Umwelteinflüsse sich nachhaltig auf die Epigenome auswirken können. Erste handfeste Anhaltspunkte, dass bestimmte Bedingungen im Mutterleib zu epigenetischen Veränderungen führen, die ein ganzes Leben lang anhalten, lieferte erst vor wenigen Wochen eine niederländische Studie (PNAS, Bd. 104, S. 17.046; 4. Nov. 2008): Sie zeigte, dass Männer mit Müttern, deren erstes Drittel der Schwangerschaft in die Hungerzeit zwischen 1944 und 1945 fiel, auch noch sechs Jahrzehnte später eine geringere DNA-Methylierung des Gens IGF2, des Insuline-like Growth Factor 2, zeigen als ihre Geschwister.

Einflussreicher Lebensstil. Das Hungern im Mutterleib hat also epigenetische Spuren hinterlassen, die diese Männer unter anderem zu besseren Futterverwertern und anfälliger für bestimmte Suchterkrankungen machen dürften. Was nichts anderes bedeutet, als dass ein Organismus anscheinend ohne jede Veränderung in der DNA-Sequenz sein Genom auf seine Umwelt einstellen kann. Und dass der Lebensstil während der Schwangerschaft noch mehr Einfluss auf den Nachwuchs hat als bis vor kurzem gedacht.

Mitarbeit: Klaus Taschwer

Linktipp

www.epigenome.eu/de

Die Broschüre „Epigenetik“ ist bei der Koordinationsstelle des Epigenetik-Exzellenznetzwerkes, IMP, Dr.- Bohr-Gasse 7, 1030 Wien, kostenlos erhältlich.

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