Epigenetik

Die Epigenetik ist das Fachgebiet der Biologie, das sich mit Änderungen in der Genexpression befasst, die nicht durch Mutationen in der DNA-Abfolge selbst erklärt werden können. Man kann sich die DNA als ein Kochbuch vorstellen: Während die Genetik den Text der Rezepte festlegt, bestimmt die Epigenetik, welche Seiten mit Büroklammern verschlossen sind oder welche Rezepte besonders häufig nachgekocht werden.

Ein zentraler Mechanismus ist die DNA-Methylierung. Hierbei werden Methylgruppen (kleine chemische Anhänge) durch DNA-Methyltransferasen (DNMTs) meist an Cytosin-Basen innerhalb von CpG-Inseln angehängt, wodurch 5-Methylcytosin entsteht. Diese Markierung führt in der Regel dazu, dass das entsprechende Gen 'stummgeschaltet' wird, da die Transkriptionsmaschinerie den DNA-Abschnitt nicht mehr effektiv erreichen kann. Das Methylierungsmuster wird bei jeder Zellteilung weitergegeben: Nach der Replikation methyliert die DNMT die neusynthetisierte DNA an den gleichen Stellen.

Ein weiterer wichtiger Prozess ist die Histon-Modifikation. Histone sind positiv geladene Proteine, um die sich die negativ geladene DNA wickelt. Durch das Anhängen von Acetylgruppen (Acetylierung) an das zugängliche aminoterminale Ende der Histone wird deren positive Ladung reduziert, sodass die Bindung zur DNA schwächer wird. Das Chromatin lockert sich zu Euchromatin, einer offenen Struktur, die aktiv abgelesen werden kann. Neben der Acetylierung gibt es auch andere Modifikationen wie Methylierung und Phosphorylierung. Werden diese Gruppen entfernt oder bestimmte Methylgruppen angehängt, verdichtet sich die Struktur zu Heterochromatin, welches genetisch inaktiv ist.

Ein weiterer Mechanismus der epigenetischen Regulation ist die RNA-Interferenz (RNAi). Hierbei handelt es sich um einen posttranskriptionalen Vorgang: Kurze, einzelsträngige RNA-Moleküle können gezielt an komplementäre mRNA binden und entweder deren Translation blockieren oder den Abbau der mRNA fördern. So wird die Genexpression unterdrückt, ohne dass das Gen selbst direkt verändert wird.

Ein besonderes epigenetisches Phänomen ist die genetische Prägung (Genomic Imprinting). Bei den meisten Genen sind beide elterlichen Allele aktiv, doch bei einigen geprägten Genen wird abhängig von der Herkunft (väterlich oder mütterlich) ein Allel durch Methylierung stillgelegt. Diese Prägung wird während der Keimzellentwicklung gelöscht und neu etabliert, sodass jeder Elternteil sein spezifisches Muster weitergibt. Imprinting betrifft nur wenige Bereiche des Erbguts und ist streng elternspezifisch.

Im Gegensatz zur klassischen Genetik sind epigenetische Markierungen reversibel, also umkehrbar. Dennoch können sie bei der Zellteilung an Tochterzellen weitergegeben werden und teilweise sogar über Generationen hinweg bestehen bleiben. Umwelteinflüsse wie Ernährung, Stress oder Giftstoffe können das Epigenom eines Individuums massiv beeinflussen.

Die Genomik befasst sich hingegen mit der Analyse des gesamten Genoms, also der vollständigen DNA-Sequenz eines Organismus. Sie liefert den Bauplan, während die Proteomik die Gesamtheit aller Proteine (das Proteom) untersucht, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle vorhanden sind. Da Proteine die eigentlichen Funktionsträger sind, spiegelt die Proteomik den aktuellen Zustand der Zelle präziser wider als das Genom.

In der modernen Biotechnologie spielen GMO (Genetisch veränderte Organismen) eine große Rolle. Hierbei wird das Erbgut gezielt durch gentechnische Verfahren verändert, um bestimmte Eigenschaften zu verstärken oder neu einzuführen. Dies unterscheidet sich von der Epigenetik dadurch, dass hier die tatsächliche Nukleotidsequenz der DNA manipuliert wird.