Deine Gene werden durch zahlreiche Faktoren reguliert. Das bedeutet, dass nicht die gesamte, sondern nur ein Teil der Erbinformation (DNA) ausgeprägt wird. Einer dieser regulierenden Faktoren ist die epigenetische Genregulation. Hierbei handelt es sich um strukturelle Modifikationen der DNA, welche die Nukleotidsequenz nicht direkt verändern.
Epigenetik Definition
Bevor die epigenetische Genregulation genauer betrachtet wird, ist es wichtig zu wissen, was man unter dem Begriff Epigenetik versteht. Die Epigenetik ist ein Feld der Molekularbiologie.
Als Epigenetik wird das Zusammenspiel von Genen und der Umwelt bezeichnet. Sie beschreibt Mechanismen (Modifikationen), welche die Struktur und Zustände der DNA (Chromatin) beeinflussen, ohne die primäre Nukleotidsequenz zu verändern.
Entsprechende epigenetische Veränderungen können permanent sein und vererbt werden. Epigenetische Mechanismen werden durch äußere Umwelteinflüsse beeinflusst.
Epigenetik einfach erklärt
- Epigenetik erklärt den Einfluss der Umwelt auf die Ausprägung von Genen.
- Epigenetische Mechanismen (Modifikationen) verändern die Struktur beziehungsweise den Zustand der DNA, wodurch eine Regulation der Gene stattfindet.
- Epigenetische Mechanismen werden durch Umwelteinflüsse beeinflusst beziehungsweise induziert.
- Epigenetische Veränderungen können permanent und vererbbar sein. In der Regel handelt es sich aber um kurzzeitige Anpassungen.
- Im Gegensatz zu Mutationen verändern epigenetische Prozesse nicht die Nukleotidsequenz der DNA.
- Epigenetische Mechanismen beeinflussen die Struktur der DNA und regulieren so die Transkription eines Gens, also wie stark oder ob ein Gen abgelesen wird.
- Epigenetische Mechanismen sind reversibel.
Epigenetische Mechanismen verändern die Nukleotidsequenz nicht und sind daher nicht direkt nachweisbar.
Genotyp und Phänotyp: Epigenetische Faktoren
Die Epigenetik beschäftigt sich mit Veränderungen (Modifikationen) des Erbguts. Diese Art der Regulation nimmt Einfluss auf den Phänotyp, nicht aber auf den Genotyp.
Der Genotyp ist die Ausstattung an Informationen, die auf der DNA vorliegt. Er umfasst die Gesamtheit aller Gene eines Organismus.
Der Phänotyp hingegen ist das äußere Erscheinungsbild. Dabei spielen der Genotyp, aber auch andere Umweltfaktoren eine Rolle. Im Phänotyp spiegelt sich wider, welche genetische Information ausgeprägt wird. Das Zusammenspiel aus DNA, Umweltfaktoren und Genregulation mündet im Phänotyp. Deswegen sehen eineiige Zwillinge auch nie identisch aus – trotz des gleichen Genotyps.
Wenn Du mehr zu den Themen Genotyp und Phänotyp wissen willst, schaue einmal bei den entsprechenden Erklärungen rein.
Mechanismen der Epigenetik
Es gibt unterschiedliche epigenetische Mechanismen, welche genregulativ wirken können. Solche Mechanismen dienen vor allem der direkten Anpassung des Organismus an die Umweltbedingungen. Entsprechende Auswirkungen lassen sich nur im Phänotyp beobachten.
Die wichtigsten epigenetischen Mechanismen sind die DNA-Methylierung und die Histon-Modifikation.
Ein Beispiel der epigenetischen Genregulation erlebst Du jeden Sommer, wenn Du in die Sonne gehst. Die Bräunung Deiner Haut ist auf epigenetische Modifikation zurückzuführen. Eine Veränderung der Methylierung Deiner Gene löst den häufig gewünschten Bräunungseffekt aus.
Bei starkem UV-Licht, beispielsweise durch die Sonne, werden Methylgruppen aus dem Melanin Gen entfernt. Melanine sind für die Bräune der Haut entscheidend. Wenn die Methylierung aufgehoben ist, kann mehr Melanin produziert werden. Dies hat eine Bräunung der Haut zufolge.
DNA-Methylierung
DNA-Methylierung ist ein typischer epigenetischer Prozess zur Regulation der Gene. Dabei wird eine Methylgruppe an ein Nukleotid gebunden, so wird das Ablesen der Gene (Transkription) beeinflusst.
Bei der DNA-Methylierung werden Methylgruppen durch sogenannte DNA-Methyltransferasen an Cytosin angefügt. Findet eine Methylierung an Promotorregionen statt, führt das dazu, dass bestimmte Proteine an der Promotorregion binden und das Gen nicht mehr abgelesen wird. Somit hemmt die Methylierung die Transkription.
Die Promotorregion ist jedem proteincodierenden Gen vorgeschaltet. An ihr bindet die RNA-Polymerase, um anschließend das Gen in eine mRNA umzuschreiben. Bei der Genregulation spielt die Promotorregion eine wichtige Rolle. Promotorregionen beinhalten in der Regel einen hohen Gehalt an Cytosinen auf denen ein Guanin folgt (CpG-Inseln). Dort kann eine Methylierung stattfinden.
Abbildung 1: Genregulation durch DNA-Methylierung.
Im Zuge der Replikation (Mitose und Meiose) können Methylierungsmuster an die Tochterzellen beziehungsweise an die Keimzellen weitergegeben werden. Somit sind Anpassungen durch die DNA-Methylierung vererbbar.
DNA-Methylierung einfach erklärt
- Anlagerung von Methylgruppen an Cytosin
- Methylierung von Cytosin in der Promotorregion wirkt repressiv (hemmt) auf die Transkription.
- Methylierungsmuster können im Zuge der Mitose und Meiose weiter gegeben werden.
Epigenetische Modifikation: Histon-Modifikation
Ein weiterer epigenetischer Prozess ist die Modifikation von Histonen. Zunächst solltest Du Dir jedoch vergegenwärtigen, welche Rolle Histone für den Zustand von DNA in unseren Zellen spielen.
Das Chromatin
Das Erbgut (DNA) liegt in unseren Zellen als sogenanntes Chromatin vor. Hierbei handelt es sich um einen Komplex aus dem DNA-Molekül und eine Reihe von Proteinen. Damit unsere DNA in den Zellkern passt, ist sie teilweise sehr dicht und strukturiert verpackt. Hierfür wird der DNA-Strang um die sogenannten Histone gewickelt. Dabei handelt es sich um Proteine, die eng mit dem DNA-Molekül interagieren.
Histone werden auch als Verpackungsproteine der DNA bezeichnet.
Das Chromatin kann entweder verdichtet als Heterochromatin oder lockerer verpackt als Euchromatin vorliegen. Liegt die DNA als Heterochromatin vor, können Gene auf entsprechenden Abschnitten nur bedingt abgelesen werden, da die Transkriptionsfaktoren nicht an der DNA binden können. Im Gegensatz dazu ist der Zustand des Euchromatins mit einer erhöhten Genexpression assoziiert, weil die Transkriptionsfaktoren binden können.
Genau hier wirkt der epigenetische Prozess der Histon-Modifikation. Unterschiedliche Modifikationen beeinflussen den Zustand des Chromatins und somit die Transkription der Gene.
Arten der Histon-Modifikation
Histone bestehen aus acht Untereinheiten. Sie werden nach der Translation (posttranslational) auf unterschiedliche Weise modifiziert. Hierbei können Methylgruppen, Acetylgruppen oder Phosphorgruppen an unterschiedliche Untereinheiten der Histone angehangen und somit Einfluss auf den Zustand des Chromatins genommen werden:
- Histon-Methylierung
- Histon-Acetylierung
- Histon-Phosphorylierung
Grundsätzlich sorgen Phosphatreste und Acetylreste dafür, dass die DNA lockerer verpackt ist (Euchromatin) und Transkriptionsfaktoren an der DNA binden können. Eine Methylierung der Histone hat zu Folge, dass die DNA dichter verpackt vorliegt (Heterochromatin).
Funktionsweise der Histon-Modifikation am Beispiel der Acetylierung:
Die DNA ist aufgrund ihrer negativen Ladung stark an die positiv geladenen Histone gebunden. Daraus resultiert eine dichte Formation des DNA-Protein-Komplexes. Durch die Acetylierung der Aminosäure Lysin am Ende der Aminosäuresequenz des Histons wird die positive Ladung des Histons abgeschwächt. Dadurch wird die Bindung zwischen Histon und DNA gelockert und ein weniger dichter Zustand des Chromatins ist die Folge.
Auch Histon-Modifizierungsmuster können im Zuge der Replikation (Mitose und Meiose) weitergeben beziehungsweise vererbt werden. Die Prozesse, auf denen die Vererbung dieser Modifikationen basiert, sind bis jetzt noch nicht verstanden.
Histon-Modifikation einfach erklärt
- Histon-Modifikationen sind Modifikationen der Histon-Proteine durch Acetylierung, Phosphorylierung oder Methylierung.
- Entsprechende Modifikationen beeinflussen den Zustand des Chromatins (Euchromatin oder Heterochromatin).
- Liegt Heterochromatin vor, können Transkriptionsfaktoren nicht binden und eine Transkription der Gene findet nicht statt.
- Liegt Euchromatin vor, können Transkriptionsfaktoren binden und eine Transkription der Gene findet statt.
Epigenetik – Einflüsse und Vererbung
Ein besonderes Merkmal der Epigenetik ist, dass sie durch Umweltfaktoren beeinflusst wird. Dazu gehören beispielsweise die Ernährung, Stress und die Populationsdichte.
Forschende am Max-Planck-Institut haben gezeigt, dass epigenetische Modifikationen bei Mäusen durch fetthaltigere Nahrung und längere Tageszeiten ausgelöst werden. Die Umweltfaktoren, Ernährung und Tageszeit haben diesem Fall dazu geführt, dass bestimmte Stoffwechsel-Gene verstärkt abgelesen wurden. Dadurch konnten die Mäuse energiereiche Nahrung effektiver verwerten.
Die Epigenetik ist ein vergleichsweise junges Forschungsfeld. Zwar hat man die grundlegenden Mechanismen der Epigenetik verstanden, jedoch bleiben viele Fragen in Bezug auf die Beeinflussung und die Vererbung ungeklärt.
Es ist bekannt, dass epigenetische Modifikationen vererbbar sind. In der Regel werden epigenetische Veränderungen, wie am Beispiel der Mäuse erklärt, nicht an die nächste Generation weiter gegeben. Wie stark der Umwelteinfluss beziehungsweise die epigenetische Modifikation sein muss, damit sie an folgende Generationen weiter gegeben wird, bleibt zum Teil ungeklärt.
Es konnte gezeigt werden, dass prägende Ereignisse wie Traumata oder Hungerperioden epigenetische Veränderungen hervorrufen, welche über mehrere Generationen erhalten bleiben.
Epigenetik – Beispiel
In diesen Beispielen erfährst Du mehr über epigenetische Modifikationen.
Ein Beispiel der epigenetischen Genregulation erlebst Du jeden Sommer, wenn Du in die Sonne gehst. Die Bräunung Deiner Haut ist auf epigenetische Modifikation zurückzuführen. Eine Veränderung der Methylierung Deiner Gene löst den häufig gewünschten Bräunungseffekt aus.
Bei starkem UV-Licht, beispielsweise durch die Sonne, werden Methylgruppen aus dem Melanin Gen entfernt. Melanine sind für die Bräune der Haut entscheidend. Wenn die Methylierung aufgehoben ist, kann mehr Melanin produziert werden. Dies hat eine Bräunung der Haut zufolge.
Epigenetik – Das Wichtigste
- Epigenetische Modifikationen basieren auf reversiblen Modifikationen von Histonen und DNA-Basen.
- Zu den epigenetischen Mechanismen gehören die DNA-Methylierung und die Histon-Modifikation.
- Epigenetische Modifikationen haben eine hemmende oder aktivierende Wirkung auf die Transkription von Genen.
- Histon-Modifikationsmuster und Methylierungsmuster der DNA können im Zuge der Mitose oder der Meiose weiter vererbt werden.
- Epigenetische Mechanismen stehen unter dem Einfluss von Umweltfaktoren.
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