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Epigenetische Genregulation

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Epigenetische Genregulation

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.

Definition zur Epigenetik

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

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 epigenetischen Genregulation

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.

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.

Einflüsse und Vererbung der epigenetischen Genregulation

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.

Epigenetische Genregulation - 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.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Epigenetische Genregulation

Die epigenetische Regulation der Genexpression erfolgt durch Modifikationen von DNA-Basen und Histonen. Durch diese Modifikationen wird die Transkription von entsprechenden Genen begünstigt oder gehemmt.

Epigenetik erklärt den Einfluss der Umwelt auf die Ausprägung von Genen. Epigenetische Prozesse werden durch Umweltfaktoren beeinflusst und steuern die Ausprägung von Genen durch Genregulation und dabei keinen direkten Einfluss auf die Nukleotidsequenz haben. Epigenetische Modifikationen können an folgende Zellgenerationen weiter vererbt werden.


Zur Epigenetik gehören genregulierende Modifikationen von DNA-Basen (DNA-Methylierung) und die Modifikation von Histon-Proteinen (Histon-Modifikation.

Epigenetische Modifikationen sind reversible Veränderungen von Histonen (z.B Acetylierung oder Methylierung) oder DNA-Basen (Methylierung von Cystein).

Finales Epigenetische Genregulation Quiz

Frage

Was ist die Epigenetik?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Epigenetik wird das Zusammenspiel von Genen und Umwelt bezeichnet. Dabei beschäftigt sich die Epigenetik mit der Frage, wie Gene ausgeprägt werden.

Frage anzeigen

Frage

Kann man epigenetische Faktoren an der DNA erkennen?

Antwort anzeigen

Antwort

Nein, denn da die Epigenetik das Erbgut nur reguliert, aber nicht verändert, ist sie auf der DNA selbst nicht nachweisbar.

Frage anzeigen

Frage

Nenne einen anderen Begriff für die Beeinflussung des Erbguts.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Begriff dafür ist die DNA-Modifikation.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Genotyp?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Genotyp ist die Ausstattung an Informationen, die auf der DNA vorliegt. Eineiige Zwillinge beispielsweise besitzen den gleichen Genotyp, also die gleiche genetische Grundausstattung.  

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Phänotyp?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Phänotyp hingegen ist das äußere Erscheinungsbild. Dabei spielt der Genotyp, aber auch andere Umweltfaktoren eine Rolle. Das Zusammenspiel aus DNA und Umweltfaktoren mündet im Phänotyp. Deswegen sehen eineiige Zwillinge auch nie identisch aus, trotz des gleichen Genotyps. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür gibt es Methoden, epigenetisch genregulativ zu wirken?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Methoden dienen vor allem der direkten Anpassung der Gene und deren Aktivität an die Umweltbedingungen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die häufigste Form der epigenetischen Regulation?

Antwort anzeigen

Antwort

Die häufigste Form ist die DNA-Methylierung.

Frage anzeigen

Frage

Wie geschieht die DNA-Methylierung?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der DNA-Methylierung wird eine Methylgruppe an ein Nukleotid gebunden. 

Frage anzeigen

Frage

Aus was ist die DNA zusammengesetzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die DNA, also das Erbgut, besteht aus aneinander gereihten Basen (= Nukleotiden).

Frage anzeigen

Frage

Wofür ist die Methylierung der DNA in Neuronen wichtig?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch die Methylierungen wird das Lernen selbst sowie das Gedächtnis allgemein erst möglich. Damit du dich auch weiterhin erinnerst, ist eine aktive Methylierung und Demethylierung der Gene von Neuronen notwendig. 

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die DNA kondensiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kondensation gelingt mithilfe von Histonen. Wenn man die Histone selbst ändert, verändert man auch die Aktivität der Gene, die sich in diesem Bereich befinden.

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Histon-Modifikationen kennst du?

Antwort anzeigen

Antwort

Es gibt die :

  1. Histon-Acetylierung
  2. Histon-Methylierung
  3. Histon-Phosphorylierung
Frage anzeigen

Frage

Was beschreibt die Histon-Code-Hypothese?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie beschreibt, wie zahlreiche verschiedene Modifikationen zusammenwirken. Laut dieser werden biologische Prozesse durch das Zusammenwirkungen unterschiedlichster Modifikationen beeinflusst. 

Frage anzeigen

Frage

Was sind Telomere?

Antwort anzeigen

Antwort

Telomere sind die Endstücke der Chromosomen. Mithilfe des Enzyms Telomerase wird der Aufbau dieser Telomere geschützt, sodass nicht allzu viele Informationen verloren gehen. 


Frage anzeigen

Frage

Wie kommt es zu vermehrtem Telomerabbau?

Antwort anzeigen

Antwort

In Situationen von psychischen oder auch physischen Belastungen kommt es zu einer eingeschränkten Aktivität der Telomerase. Die Telomere werden vermehrt abgebaut. Es folgen daraus beschleunigte Alterungsprozesse

Frage anzeigen

Frage

Nenne einen Umweltfaktor, der sich epigenetisch negativ auf das Erbgut auswirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein negativer Umweltfaktor wäre die Strahlung. Diese kann die Ausprägung der Gene stören.

Frage anzeigen
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