Epigenetik und Ernährung
Nach der erfolgreichen Sequenzierung des humanen Genoms verbleiben noch fundamentale Fragen, die Genetik und Genomik bisher nur unzureichend geklärt haben. Der neue Forschungsbereich der Epigenetik versucht nun herauszufinden, welche Ursachen und Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass z. B. Merkmale vererbt werden können, die nicht in der DNS-Sequenz festgeschrieben sind.
DNS-Verpackungsstufen© Nature Publishing Group
Da es zunehmend Hinweise dafür gibt, dass die Ernährung in epigenetische Mechanismen eingreifen kann, wird im Folgenden eine Übersicht über den Zusammenhang zwischen Ernährung, metabolischer Programmierung und Epigenetik gegeben.
Die erfolgreiche Sequenzierung des menschlichen Genoms hat die Lebenswissenschaften revolutioniert. Im Zentrum der genetischen Forschung steht heute vor allem die Analyse der Varianz, im Besonderen durch SNP-Analysen (SNP: „single nucleotide polymorphisms“), in kodierenden und regulatorischen Genabschnitten sowie deren Assoziation mit dem Phänotyp bzw. individuellen Suszeptibilitäten für Erkrankungen.
Eine Vielzahl neuer Methoden resultiert ebenso aus der Genomforschung. Mittlerweile ist es möglich, mittels DNS-Chips die Genexpression des gesamten Genoms (Transkriptom) – auch in Antwort auf Veränderungen der Ernährung – z. B. in Blutzellen bzw. Gewebeproben des Menschen zu analysieren.
Trotz enormer wissenschaftlicher und technischer Fortschritte verbleiben dennoch fundamentale Fragen, welche die Genetik und Genomik bisher nur unzureichend geklärt haben. Wie entwickeln sich bei gleicher genetischer Ausstattung von Zellen unterschiedliche Genexpressionsmuster, die bei der Zellteilung stabil vererbt werden können? Hierfür scheint eine Art Zellgedächtnis notwendig zu sein, das in unterschiedlichen Zellentwicklungslinien weitergegeben wird und so die Differenzierung zu verschiedenen Zelltypen ermöglicht.
Was bedingt die phänotypischen Unterschiede von Organismen bei scheinbar identischem Genom? Studien an eineiigen Zwillingen belegen beispielsweise Unterschiede in der Stoffwechselantwort und bei Krankheitsrisiken, obwohl beide Individuen ein identisches Genom haben sollten. Die Ursachen und Mechanismen für diese vererbbaren Merkmale, die offensichtlich nicht von der DNS-Sequenz abhängen, versucht der Forschungsbereich der Epigenetik aufzuklären.
Der Ursprung des Begriffs Epigenetik („Epi“ = griech. „daneben, obenauf“), welcher bereits in den 40er-Jahren durch Waddington geprägt wurde, liegt in den Beobachtungen scheinbar anomaler Vererbungsmuster, die sich nicht durch die Mendelschen Gesetze bzw. die klassische Genetik erklären ließen.
Die heutige Definition der Epigenetik als das „Studium mitotisch und meiotisch vererbbarer Veränderungen der Genfunktion, welche nicht durch Veränderungen der DNS-Sequenz erklärt werden können“, sieht diesen Forschungsbereich eher als eine Brücke zwischen Genotyp und Phänotyp. Epigenetik wird also als Phänomen verstanden, welches nachhaltig die zeitliche, räumliche und quantitative Expression eines Gens ohne eine direkte Veränderung der zugrunde liegenden DNS-Sequenz bestimmt.
Die epigenetische Forschung der letzten Jahre untersuchte vor allem die molekularen Mechanismen dieser Form der Genregulation und deren Weitergabe an die nächsten Zellgenerationen. Dabei konzentrierte man sich besonders auf die Basen der DNS und die Histonprotein-Oktamere, um welche die DNS wie um Spulen gewunden ist. Diese als Nukleosomen bezeichneten Einheiten ermöglichen es, die insgesamt etwa 2 m lange DNS einer Zelle auf ungefähr 1/10.000 dieser Länge zu verdichten und im Zellkern einzulagern. Das so gebildete Polymer aus Einheiten von Nukleosomen wird als Chromatin bezeichnet.
Chromatin kann prinzipiell in zwei verschiedenen Zuständen auftreten. Dicht gepackte Chromatinbereiche (Heterochromatin) erschweren den Zugang zur DNS; hier spricht man von einer „geschlossenen“ Chromatinkonformation. Eine „offene“ Chromatinkonformation hingegen liegt vor, wenn das Chromatin weniger dicht gepackte Bereiche (Euchromatin) aufweist und somit den Zugang von spezifischen Proteinen und Enzymen ermöglicht, um die DNS in die mRNS zu transkribieren (Genexpression). Der Zustand des Chromatins bzw. die Expression der enthaltenen DNS-Abschnitte kann dabei über epigenetische Mechanismen verändert sowie stabil vererbt werden. Zu diesen Mechanismen zählen DNS-Methylierungen, Histonmodifikationen, Einbau von Histonvarianten, Polycomb-Trithorax-Genregulation, Chromatinumstrukturierung sowie die RNS-Interferenz. Im folgenden Abschnitt werden diese epigenetischen Mechanismen näher erläutert.
Korrespondierender Autor: Dr. rer. nat. Bernhard L. Bader (bader@wzw.tum.de)
Diesen Artikel finden Sie in Ernährung – Wissenschaft und Praxis 03/2008 auf Seite 116 ff. oder als PDF-Download im Kasten oben rechts.
