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Die Epigenetik ist ein Spezialgebiet der Biologie. Sie befasst sich mit Zelleigenschaften (Phänotyp), die auf Tochterzellen vererbt werden und nicht in der DNA-Sequenz (dem Genotyp) festgelegt sind. Hierbei erfolgen Veränderungen an den Chromosomen, wodurch Abschnitte oder ganze Chromosomen in ihrer Aktivität beeinflusst werden. Man spricht infolgedessen auch von epigenetischer Veränderung bzw. epigenetischer Prägung.[1] Die DNA-Sequenz wird dabei jedoch nicht verändert.
Nach der Befruchtung teilt sich die Eizelle. Bis zum Stadium der Morula sind alle Tochterzellen gleich. Danach finden sich Zellen mit einem unterschiedlichen inneren Programm und jeweils eigener Funktion. Wenn der Körper fertig ausgebildet ist, sind die meisten Körperzellen für ihre Funktion fest programmiert. Dabei bleibt die Sequenz des Erbgutes unverändert (keine genetische Mutationen). Die funktionelle Festlegung erfolgt durch biochemische Ergänzungen an einzelnen Basen der Sequenz und der die DNA verpackenden Histone. Solche Veränderungen führen dazu, dass bestimmte Bereiche des Erbgutes ruhig gestellt, andere dafür leichter in RNA und Protein überführt werden können. Diese Modifizierungen finden sich nur in Körperzellen, nicht aber z. B. in Eizellen oder Spermien. Von Bedeutung für epigenetische Phänomene ist vor allem die Methylierung von Cytidin-Basen in Cytosin-Guanosin-Nukleotid-Dimeren (CpG). Außerdem spielt die Seitenketten-Methylierung und -Acetylierung von Histonen eine wichtige Rolle.
Die griechische Vorsilbe epi in Epigenetik hat mehrere Bedeutungen, wie „nach“, „hinterher“, „um … herum“ oder „zusätzlich“. Epigenetisch sind danach alle Prozesse in einer Zelle, die als „zusätzlich“ zu den Inhalten und Vorgängen der Genetik gelten. Conrad Hal Waddington hat den Begriff Epigenetik erstmals benutzt. Im Jahr 1942 (als die Struktur der DNA noch unbekannt war) definierte er Epigenetik als „the branch of biology which studies the causal interactions between genes and their products which bring the phenotype into being“. Zur Abgrenzung vom allgemeineren Konzept der Genregulation sind heutige Definitionen meist spezieller, z.B.: „Der Begriff Epigenetik definiert alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst kodiert sind.“ [2]
Mit dem Ausdruck Epigenese werden die graduellen Prozesse der embryonalen Morphogenese von Organen beschrieben. Diese beruhen auf epigenetischen Prozessen bei der Zellteilung der Vorläuferzellen, der Zelldifferenzierung.
Zu den epigenetischen Prozessen zählt man die Paramutation, das Bookmarking, das Imprinting, das Gen-Silencing, die X-Inaktivierung, den Positionseffekt, die Reprogrammierung, die Transvection, maternale Effekte (paternale Effekte sind selten, da wesentlich weniger nicht-genetisches Material mit dem Spermium vererbt wird), den Prozess der Karzinogenese, viele Effekte von teratogenen Substanzen, die Regulation von Histonmodifikationen und Heterochromatin sowie technische Limitierungen beim Klonen.
Man kann den Begriff Epigenetik am besten verstehen, wenn man sich den Vorgang der Vererbung vor Augen führt:
Einige Phänomene der Vererbung lassen sich nicht mit dem gerade beschriebenen DNA-Modell erklären:
Die wichtigste epigenetische Veränderung ist die Methylierung von Cytidin-Basen der DNA.[3] Dabei werden überhaupt nur solche Cytidine methyliert, die innerhalb von Cytosin-Guanosin-Dinukleotiden angetroffen werden. Andere Cytidine werden durch die bekannten menschlichen DNA-Methyltransferasen (DNMT) nicht verändert.[4]
Während der DNA-Verdopplung vor jeder Zellteilung gibt es den alten DNA-Strang, an dem bestimmte Cytidine methyliert sind, während der neugebildete DNA-Strang noch nicht methyliert ist. Das Enzym DNMT3 methyliert jedes Cytidin in einem halbmethylierten CG/CG-Paar. Eine solche CG-Methylierung führt dazu, dass Methyl-CG-erkennende Proteine an solche meCG-Paare binden. Diese Bindung führt zur Anlagerung weiterer Proteine und zur Verdichtung der Nukleosomen (siehe weiter unten). Dadurch ist die DNA an solchen meCG-Paaren für die RNA-Polymerase nicht ablesbar und das darunterliegende Gen ist inaktiv.
Methylierte Cytidin sind anfällig für Desaminierung, dabei verlieren die Cytidine die Aminogruppe an Position 6 des Ringes. Ein desaminiertes Cytidin ist ein Uracil. Dieses ist keiner der vier DNA-Bausteine Adenosin, Cytosin, Guanosin oder Thymin. Daher wird ein Uracil in der DNA als Fehler erkannt und schnellstens ausgetauscht. Wird aber ein 5-Methylcytidin desaminiert, entsteht daraus ein Thymin, das ein DNA-Baustein ist. Hier kann der DNA-Reparaturapparat nicht erkennen, ob das Thymin oder das gegenüberliegende Guanosin falsch eingebaut ist. Dass diese natürliche Mutation tatsächlich von statten gegangen ist, erkennt man daran, dass die Häufigkeit von CG-Dinukleotiden gegenüber den anderen Dinukleotid-Kombinationen stark reduziert ist.
CG-Dinukleotide treten gehäuft vor allem in den Genbereichen auf, die für die Steuerung von Genen zuständig sind, den Promotoren. Man spricht von CG-Inseln. Der Methylierungsgrad in solchen CG-Inseln ist häufig ein Maß für die Aktivität, mit der das zugehörige Gen transkribiert wird.
Besonders bei Bakterien hat die Adenin-Methylierung eine wichtige Rolle bei der Fehlerkorrektur der frisch replizierten DNA.[5][6] Innerhalb von GATC-Tetrameren wird das Adenin an der 6-Aminogruppe methyliert (vgl. Bild rechts). Manchmal paart ein Thymin mit einem Cytidin anstelle eines Guanins und wird bei der DNA-Verdopplung irrtümlich eingebaut. Diese und andere Fehlpaarungen können von einem Komplex gefunden werden, der den DNA-Strang absucht und eine Fehlerkorrektur (proof-reading) einleitet. Hierbei wird der DNA-Strang um den Fehler herausgeschnitten, der keine methylierten Adenine aufweist. Das ausgeschnittene Stück wird schließlich neu synthetisiert.
Ist das proof-reading abgeschlossen, werden die Adenine im neuen Strang methyliert.
Anders als bei Bakterien benutzt der DNA-Reparatur-Apparat der Eukaryoten nicht hemimethylierte GATC-Palindrome, um den neuen von dem alten Strang zu unterscheiden, sondern methylierte CG-Dimere. Bei C→T-Punktmutationen außerhalb von CG-Inseln kann es aber zu Irrtümern kommen, wenn das nächste CG zu weit entfernt ist. Wahrscheinlich sind deshalb die methylierten CG-Dimere nur innerhalb von CG-Inseln stabil.
CG-Methylierung spielt bei der Promotor-Inaktivierung, der Chromatin-Kondensierung, dem genomischen Imprinting und der X-Chromosom-Inaktivierung eine wichtige Rolle [7] Im Gegensatz zu Hefen, Fliegen wie Drosophila oder Nematoden wie Caenorhabditis elegans finden sich bei Pflanzen und bei den Vertebraten näher verwandten Echinodermata CH3CG-Methylierungen. .
Bislang sind drei menschliche DNA-Methyltransferasen bekannt: DNMT1, DNMT3a und DNMT3b (DNMT2 methyliert RNA). Für die Erhaltungs-Methylierung (Maintenance-Methylierung) bei der Zellteilung sind DNMT3a und DNMT3b zuständig. DNMT1 methyliert die CG-Dimere, die aufgrund von Zelldifferenzierungen neu methyliert werden (de-novo-Methylierung). Mutationen im DNMT3b-Gen auf Chromosom 20 führen zum Immunschwäche/zentromere Instabilität/Gesichtsausdrucks-Anomalie-Syndrom (ICF). An methylierte DNA kann sich das Methyl-bindende Protein (MeCP) anlagern. Dieses wiederum ist Keim für weitere Proteinanlagerungen, die schließlich auch zur Modifizierung von Histonen führen. Kondensiertes Histon in Zusammenarbeit mit dem durch MeCP ausgelösten Proteinkomplex führt zur Inaktivierung eines Chromosomenabschnittes.
Auch das Methyl-abspaltende Enzym DNA-Methylase wurde identifiziert.[8] Es war als Methyl-CpG-Domäne-bindendes Protein 2 (MBD2) schon früher beschrieben worden. Damit ist die Methylierung von DNA keine Einbahnstraße, sondern der Methylierungszustand kann zellfunktionsabhängig geregelt werden. Eine solche Situation nennt man plastisch.
Andererseits ist in Tumorzellen die globale DNA-Methylierung geringer als in Normalzellen. Das führt man darauf zurück, dass das in Normalzellen hochmethylierte Heterochromatin (vor allem die Zentromer-Region) in Tumorzellen geringer methyliert ist.
Seitdem man den Einfluss der Hypermethylierung auf das Tumorwachstum identifiziert hat, hat man nach Wegen gesucht, um durch Demethylierung die im Entstehen begriffenen bzw. auch schon existierende Tumore wieder der Zellzykluskontrolle zu unterwerfen:[9]
Es wurden klinische Studien veröffentlicht, in denen bei menschlichen Patienten ein hemmender Effekt von Aza-Desoxy-Cytosin auf Tumorentwicklung gezeigt werden konnte.[10] Die Forscher nennen ihr Verfahren Epigenetische Therapie.
Für die Behandlung des Myelo-Dysplastischen Syndroms, das sich häufig zu einer Akuten Myeloischen Leukämie entwickelt, wurde 5-Aza-2'-Dexoxy-Cytosin unter dem Namen Dacogen von der FDA im Jahre 2006 als Medikament freigegeben Dacogen-Freigabe durch die FDA. Ein anderer Name für diese Substanz ist Decitabin.
DNA liegt im Zellkern nicht nackt vor, sondern ist an Histone gebunden. Acht verschiedene Histonproteine, jeweils zwei Moleküle von Histon 2a, Histon 2b, Histon 3 und Histon 4 bilden den Kern eines Nukleosoms, auf das etwa 170 Basenpaare eines DNA-Stranges aufgespult sind. Die Enden der Histonstränge ragen aus dem Nukleosom heraus und sind Ziel von Histon-modifizierenden Enzymen. Vor allem Methylierungen und Acetylierungen an Lysin, Histidin oder Arginin, außerdem Phosphorylierungen an Serinen sind die bekannten Modifizierungen. Außerdem spielt eine Rolle, ob die Lysin-Seitenkette mit ein, zwei oder drei Methyl-Gruppen belegt ist. Durch vergleichende Analyse hat man einen Histon-Code entziffert, der in direktem Zusammenhang mit der Aktivität des von den Histonen jeweils gebundenen Gens steht.
Generell kann man sagen, dass Anheftung von Acetyl-Gruppen an die Lysin-Seitenketten der Histone zur Öffnung der Nukleosomen-Konformation führt, wodurch das Gen für die Transkription durch die RNA-Polymerase verfügbar wird. Durch eine verstärkte Anheftung von Methyl-Gruppen an Lysin-Seitenketten werden Proteine angeheftet wie z. B. das Methyl-bindende Protein MeCB, die die Genexpression unterdrücken, reprimieren, daher auch Repressorproteine genannt, wodurch die Histon-Konformation geschlossen wird und keine Transkription möglich ist.
HpaII (Die zweite Restriktionsendonuklease aus Haemophilus parainfluenza) schneidet CCGG-Palindrome nur, wenn die CG-Dimere nicht methyliert sind, im Vergleich zu BsiSI (aus Bacillus), die auch methylierte CmeCGG-Palindrome schneidet. Tryndiak und Mitarbeiter zeigen damit, dass bei Zellen auf dem Weg zum Mammakarzinom ein fortschreitender globaler Verlust von DNA-Methylierung mit einer fehlgeleiteten Bildung der DNMT1, meCG-bindender Protein und Veränderungen in den Histonen einhergeht.[12]
Durch Behandlung von DNA mit Natriumhydrogensulfit (alter Name Bisulfit) werden Cytidine (C) in Uracil (U) umgewandelt. Bei einer anschließenden Sequenzierung findet man daher an den Stellen, wo vorher ein C war, nun ein U/T. Da bisulfit-behandelte DNA sehr labil ist, wird daher das Gen, das man analysieren möchte, mittels PCR wieder amplifiziert. Bei der nachfolgenden Sequenzierung werden dann T bzw. TG (Thymin-Guanosin-Dimere) identifiziert, wo in der unbehandelten DNA Cytosin bzw. CG-Dimere existierten.
Für die epigenetische Analyse ist wichtig, dass nur nicht-methylierte C-Basen konvertiert werden, während meC in CG-Dimeren nicht in Thymin konvertiert werden. Man kann daher mit dieser Methode exakt analysieren, welche CG-Dimere in einer bestimmten Zelle methyliert waren. Indem man das bisulfit-behandelte Genstück, das man analysieren möchte, nach der PCR-Amplifikation kloniert und verschiedene Klone sequenziert, erhält man ein Abschätzung, ob ein bestimmtes CG-Dimer gar nicht, vollständig oder nur partiell methyliert war. Bei der Methode des Pyrosequencing ist dieses Verfahren noch verfeinert und erlaubt genauere quantitative Aussagen: Man kann zum Beispiel den Schweregrad einer Tumorentartung mit dem Methylierungsgrad von CG-Inseln einzelner sogenannter Tumor-Suppressorproteine vergleichen und stellt fest, dass in bestimmten Tumoren des blutbildenden System (Hämatopoietisches System) bestimmte meCG-Dimere mit steigenden Schweregrad immer stärker methyliert sind.
Bei dieser Methode kann man bestimmen, ob ein bestimmtes Proteine an ein gegebenes DNA-Stück bindet: Durch Behandlung mit Formaldehyd werden die bindenden Proteine mit der DNA chemisch verknüpft. Durch Behandlung mit Ultraschall wird die DNA dann in Bruchstücke von 50 bis 1000 Basenpaare fragmentiert mit den gebundenen Proteinen an der DNA hängend. In einem nächsten Schritt werden mit Antikörpern gegen das bindende Proteine die an ein Protein gebundenen Gene gefischt. Nach der Auftrennung der chemischen Verknüpfung durch Hitzebehandlung in 300 mM Kochsalz-Lösung kann man mit einer PCR das interessierende Genstück amplifizieren und schließlich bestimmen, ob eine Amplifikation stattgefunden hat oder nicht. Im ersteren Fall war das Protein an das Gen assoziiert, im zweiten Fall nicht. Je nach dem, welches Protein man mit Antikörpern versucht zu fischen, kann man z. B. sagen:
(noch Baustelle)
Die Vererbung epigenetischer Prägungen von einer Generation zur anderen Generation ist nur in ganz wenigen Fällen möglich. So könnten epigenetische Veränderungen bei Pigmenten der Maispflanze bzw. der Tomate erfolgen. Häufig wird der Begriff „Generation“ als Beginn eines Individualzyklus aber falsch interpretiert.
Die sicheren Befunde über genetische Veränderungen können den Lamarckismus argumentativ nicht unterstützen. Bisher wurde kein Beweis erbracht, dass erlernte und erworbene Fähigkeiten von einer Generation zur anderen vererbt werden könnten.
