Merkmale über die Generationen

In unseren Genen steht geschrieben, wie wir aussehen, wie wir altern und an welchen erblich bedingten Wehwehchen und Krankheiten wir leiden. Egal ob wir uns die Nase verkleinern lassen oder bei einem Unfall ein Bein verlieren: Verändern uns äußere Einflüsse, können wir keine dieser Veränderungen an unsere Kinder weitergeben.

Das war zumindest lange Zeit die Einschätzung der Wissenschaft. Erst neue Forschungen haben ergeben, dass unsere Umwelt sehr wohl einen Einfluss auf unsere Entwicklung hat, auch auf genetischer Ebene. Und dass wir auf diese Weise errungene Merkmale sogar an unsere Kinder und Kindeskinder weitergeben können. Aber wie soll das funktionieren? Ist das alte, seit Darwin bekannte evolutionäre Prinzip der Evolution aus zufälligen Veränderungen und anschließender umweltbedingter Aussortierung der schlechten Merkmale einfach über den Haufen geworfen? Natürlich nicht. Aber die Sache mit unseren Genen ist nochmal deutlich komplexer als lange angenommen. Werfen wir einen Blick auf einige Beispiele aus der Praxis.

Du bist, was du isst – Thronfolge im Bienenstaat

Bienen und Bienenkönigin

Ein Bienenstaat setzt sich aus einer Königin und vielen Arbeiterinnen zusammen. Die Königin legt Eier, aus denen Larven schlüpfen, die in der Regel zu Arbeiterinnen werden. Die Arbeiterinnen sind untereinander alle genetisch identisch, das heißt, sie sind mit der gleichen Erbinformation ausgestattet. Damit das Bienenvolk fortbestehen kann, muss jedoch in regelmäßigen Abständen eine neue Bienenkönigin heranwachsen. Die Wissenschaftler waren erstaunt, als sie herausfanden, dass auch die heranwachsende Bienenkönigin die gleiche Erbinformation besaß, wie die Arbeiterinnen. Denn sie unterscheidet sich sowohl in ihrem Körperbau als auch in ihrem Verhalten grundlegend von den anderen Bienen. Das bedeutet, dass nur äußere Einflüsse für die Merkmale der Königin verantwortlich sein können.

Der Schlüssel fand sich in der Nahrung, die die Larve erhielt, die später einmal Königin werden sollte. Eine Arbeiterinnenlarve wird die ersten drei Tage mit Gelee Royal gefüttert, einem Sekret, das in den Schlunddrüsen der Bienen gebildet wird. Anschließend jedoch bekommt sie Pollen und Nektar zu essen. Eine zukünftige Bienenkönigin erhält als Futter dagegen ihre gesamte Larvenzeit Gelee Royal, was zu einer vollkommen anderen Entwicklung führt. Ein äußerer Einflussfaktor spielt hier also die entscheidende Rolle für das spätere Aussehen und die Funktion einer Bienenlarve im Bienenstock.  [1]

Vererbung erworbener Eigenschaften? – Epigenetik in der schwedischen Gemeinde Överkalix

Överkalix ist eine kleine und relativ isolierte Gemeinde in Schweden. Im Vergleich zu anderen Gemeinden blieb die Bevölkerung von Överkalix weitgehend unter sich und alle Bewohner waren vor Ort ähnlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Die Överkalixer hatten außerdem über einen langen Zeitraum wichtige Daten zu Ernten oder Geburten detailliert aufgezeichnet, weswegen Wissenschaftler das Leben mehrerer Generationen von Einwohnern und die Einflüsse, denen sie in ihrem Leben ausgesetzt waren, nachvollziehen konnten.

Die Forscher fanden heraus, dass die Kinder von Frauen, die während ihrer Schwangerschaft Hunger gelitten hatten, vermehrt mit Herz-Kreislaufproblemen kämpften. Noch interessanter war allerdings die Beobachtung, dass diese Herz-Kreislauferkrankungen auch noch bei ihren Enkelkindern zu finden waren, allerdings nur bei den weiblichen Nachkommen. Und dies war nicht das einzige beobachtete Phänomen. So zeugten Jungen, die in ihrer Jugend früh mit Rauchen angefangen hatten, Nachkommen mit einem durchschnittlich erhöhten Body-Mass-Index (BMI), also dem Wert, der das Körpergewicht im Verhältnis zur Körpergröße angibt. Der Effekt war allerdings nur bei männlichen Nachkommen zu finden. Wuchs ein Junge unter Nahrungsüberfluss auf, hatten seine Söhne und Enkelsöhne eine kürzere Lebensspanne. Bei Frauen zeigte sich keine Veränderung. [2][3]

abgeschiedene Gemeinschaften sind für epigenetische Untersuchungen besonders interessant

Was bedeutet die Epigenetik für unsere Lebensführung?

Am Beispiel von Överkalix sehen wir, dass unsere Lebensweise sehr wohl einen Einfluss auf unsere Genetik hat und wir verschiedene Merkmale sogar an unsere Nachkommen weitervererben können. Epigenetik ist noch ein verhältnismäßig unbearbeitetes Forschungsfeld. Erkenntnisse zeigen, dass sich ein gesunder Lebensstil, in dem Wert auf Faktoren wie Ernährung, ausreichend Bewegung und wenig Stress gelegt wird, sich positiv auf uns, aber auch auf unsere Nachkommen auswirkt. Auch dann, wenn diese Effekte vielleicht auf den ersten Blick nicht offensichtlich sind. Negative Einflüsse hingegen können auch negative Effekte nach sich ziehen. Eine achtsame und gesunde Lebensführung kann in puncto Gesundheit also viel Positives bewirken.

Die Wurzeln liegen in der DNA

Um zu verstehen, wie die Mechanismen der Epigenetik funktionieren, müssen wir uns auf molekulare Ebene begeben und uns mit unserer Erbinformation und dahinterliegenden Prozessen auseinandersetzen. Mitte des 20. Jahrhundert wurde DNA oder Desoxyribonukleinsäure entdeckt, also der Ort unserer der genetischen Information, der unser Aussehen und alle Prozesse in unserem Körper bestimmt. Gene werden dabei Abschnitte der DNA bezeichnet, die für Eigenschaften eines Organismus wichtig sind.

Der Großteil unserer DNA liegt in den Chromosomen im Zellkern verpackt in zwei langen antiparallelen Strängen, der sogenannten Doppelhelix vor. Sie besteht aus unzähligen aneinandergereihten Bausteinen, die jeweils mit einem spezifischen anderen Baustein paaren. Es gibt vier Bausteine: Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin. Insgesamt besteht ein einziger DNA-Strang beim Menschen aus etwa 3 Milliarden dieser Basenpaare. Die Genabschnitte auf der DNA werden in einem komplizierten Mechanismus, der Translation, abgelesen und in Proteine übersetzt werden. Proteine sind die Grundbausteine allen Lebens. Viele Basensequenzen der DNA werden jedoch nie abgelesen, sondern sind durch bestimmte Mechanismen stillgelegt. Das Ablesemuster der Gene, so schien es, sei mit der Zeugung eines neuen Menschen im Voraus festgelegt, und können nicht mehr verändert werden. Davon ging die Wissenschaft zumindest lange Zeit aus. Genau hier liegen jedoch die neuen Erkenntnisse aus der Epigenetik vor.

Der Mechanismus der Epigenetik

Epigenetik in der DNA

Veränderungen der DNA – Wie ist das möglich?

Die Sequenz der Basenpaare verändert sich nicht. Stattdessen behandeln die Prozesse der Epigenetik die Frage, ob und wenn ja wie oft bestimmte Teile der DNA abgelesen werden. Die DNA ist bei Tieren in Chromosomen verpackt, die jeweils Vater und Mutter vererben. Insgesamt haben Menschen 23 Chromosomenpaare, drunter ein Geschlechtschromosomenpaar. Das Geschlechtschromosomenpaar lautet bei Frauen XX und bei Männern XY. Oft liegen Gene nur auf einem der beiden Geschlechtschromosomen. So kann es vorkommen, dass Erbinformation beispielweise nur vom Y-Chromosom abgelesen und auf dem X-Chromosom unterdrückt wird, was in der geschlechtsspezifischen Vererbung von Merkmalen am Beispiel von Överkalix zu sehen ist. Unsere Lebensumstände haben einen Einfluss darauf, welche Gene abgelesen werden und welche nicht. Für dieses selektive Ablesen gibt es mehre Mechanismen. Darunter DNA-Methylierung und Histon-Modifikation.

DNA-Methylierung

Bei der Methylierung wird die DNA durch das Enzym DNA-Methyltransferase chemisch verändert und durch das Hinzufügen einer Methylgruppe markiert. Ein solche Markierung beeinflusst, ob bestimmte Regulatorproteine an dieser Stelle binden können und damit, ob die DNA abgelesen werden kann oder nicht. Dieser Mechanismus ist zum Beispiel bei Mäusen zu erkennen. Ist eine bestimmte Gensequenz des sogenannte Agouti-Gens methyliert, wird dieses Gen unterdrückt und es entstehen braune Mäuse. Ist dieser Teil des Gens jedoch nicht methyliert, kann das Agouti-Gen abgelesen werden und weiße Mäuse werden geboren. Durch bestimmte Regulationsmechanismen, die sogenannten „Erhaltungsmethylasen“ können methylierte Stellen erkannt und bei der Verdopplung der Erbinformation, also auch bei der Weitergabe an Nachkommen, aufrechterhalten werden. Diese Erhaltungsmethylasen können ihrerseits durch weitere Mechanismen unterdrückt oder inaktiviert werden, wodurch eine weitere Steuerung möglich ist. [4]

Histon-Modifikation

Ein weiterer Mechanismus der Epigenetik sind Histon-Modifikationen. Die lange Kette an DNA-Basen ist in regelmäßigen Abständen um Proteinkerne gewickelt, die aus sogenannten Histonen bestehen. Diese Histonkerne stehen mit anderen Histonkernen in Verbindung. Durch äußere Einflüsse kann beeinflusst werden, wie eng gepackt die mit DNA umwickelten Histone beieinanderliegen. Liegen sie sehr eng beieinander, können Ablesungs- und Kopierkomplexe nicht an die DNA binden. Sind sie dagegen weit voneinander entfernt, ist ein Ablesen und eine Umsetzung in Proteine kein Problem. Durch die Verpackungsdichte der DNA kann also durch äußere Einflüsse reguliert werden, auf Basis welcher Gene Proteine hergestellt werden und welche Gene stillgelegt sind. Auch für die Verpackungsdichte gibt es wieder viele Regulationsmechanismen, die entscheiden ob bei der Zellteilung und Vererbung die Verpackungsdichte geändert oder beibehalten wird. [5]

Wissenschaftliche Quellen

[1] Biologie Seite: Bienenkönigin, Online.

[2] Marcus Pembrey: Male-line transgenerational responses in humans, 2010, Online.

[3] Emma Marczylo / Akwasi Amoako et al. Smoking induces differential miRNA expression in human spermatozoa: A potential transgenerational epigenetic concern?, 2011, Online.

[4] [5] James Watson/ Tania Baker/ Stephen Bell / Alexander Gann / Michael Levine : Molekulare Biologie, 2010

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