Epigenetik: Vererbung und Individualität.

aus: FAZ.NET, 23. 6. 2010

Fremde Mächte im Gehirn und

im Genom

Im digitalen Code der Gene stecken nicht nur Erinnerungen, die Gene erinnern sich auch selbst: Wie das „Epigenom“ unser Lernen, Gedächtnis und die Psyche prägt.

Von Joachim Müller-Jung

Der digitale Code des Genoms – welche Magie in diesem Konzept steckt, hat noch einmal Craig Venter mit der Schaffung von synthetischen Bakterien gezeigt, die von einem neu programmierten Erbgut quasi fremd gesteuert wurden. Doch wie jede scheinbar einfache Idee in der Biologie, stößt man auf die wirkliche Genialität des Codes erst, wenn man sich die biologischen Schöpfungen am anderen Ende der Komplexitätsskala ansieht. Da, wo etwa unsere Individualität verborgen liegt. Nehmen wir zwei beliebige Menschen.

Ihre genetischen Grundbaupläne, die DNA-Sequenz, unterscheidet sich statistisch in knapp einem Zehntel Prozent. Vergleicht man hingegen zu einem beliebigen Zeitpunkt die Aktivitäten dieser wenig verschiedenen Programme direkt miteinander, so stellt man fest, dass viel mehr Gene – bis zu einem Viertel aller Erbanlagen – bei dem einen Menschen an-, bei dem anderen aber abgeschaltet sind. Das ist kein Zufall. Jan Korbel vom EMBL in Heidelberg und Michael Snyder von der Stanford-Universität haben das unlängst in der Zeitschrift „Science“ (Bd. 328, S. 232) eindrücklich mit dem ersten umfassenden Vergleich der Aktivitätsprofile von fast einem Dutzend Menschen gezeigt.

Interpretationstricks des Genoms

Ganz unerwartet kam dieses Ergebnis allerdings nicht. Dass außerhalb der DNA-Sequenz ein zweiter, ein zusätzlicher Programmiercode in der Erbmasse existiert, wie es die Vorsilbe „epi“ in dem Begriff epigenetischer Code nahelegt, diese Einsicht ist seit Jahrzehnten bekannt. Überraschend ist das Ausmaß und schließlich die Raffinesse dieses Codes. Der Hamburger Wissenschaftsautor Peter Spork sammelt seit kurzem die neuesten Interpretationstricks des Genoms in einem eigenen „Epigenetik-Newsletter“. Ein Archiv, das quasi täglich mit neuen Meldungen anschwillt.

Über das Epigenom wirkt das Umfeld auf die Gene im Zellkern ein, spielt die Umwelt Schicksal. Erziehung, frühkindliche Einwirkung von Chemikalien, Stress – die epigenetischen Stellschrauben, mit denen die Aktivität der Gene vorübergehend oder dauerhaft verändert oder sogar fürs ganze Leben (und manchmal sogar Generationen übergreifend) geprägt wird, sind vielfältig. Genau betrachtet werden dazu die Gene und das Verpackungsmaterial entlang des DNA-Fadens biochemisch modifiziert. Die „C“ (Cytosin) oder „A“ (Adenin) im Gencode können beispielsweise mit kleinen Methylgruppen – durch Methylierung – beladen und so für den Leseapparat unzugänglich gemacht werden. Oder es werden mitunter die Verpackungsproteine, die den Genomfaden einwickeln und auf diese Weise das Ablesen des Programms entscheidend beeinflussen, durch solche chemischen Schalter verändert. Das Ergebnis ist immer das gleiche: Gene werden aktiviert oder deaktiviert.

Zugriff aufs Gedächtnis

Wie das individuelle Epigenom im Einzelnen aussieht, wie es erzeugt wird, lässt sich bisher kaum sagen, dass es sich dabei aber nicht etwa um oberflächliche, gar marginale Anpassungen handelt, sondern um massive Eingriffe, die das Leben fundamental verändern können, hat sich zuletzt in einer Reihe von Arbeiten aus der Hirnforschung gezeigt.

Gedächtnis und Erinnerungen, so meinen viele Neurobiologen immer noch, werden allein durch die Qualität von Nervenverbindungen ermöglicht. Wird etwas intensiv gelernt, werden die neuronalen Netze zwischen bestimmten Hirnarealen, insbesondere vom Hippocampus als dem Gedächtniszentrum und den zugehörigen Hirnarealen im Großhirn, gestärkt. Die Signale werden fortan schneller und leichter übertragen. Wie die Hirnforscherin Courtney Miller vom Scripps Institute in Florida jetzt allerdings in der Zeitschrift „Nature Neuroscience“ (doi: 10.1038/nn.2560) gezeigt hat, lässt sich das Gedächtnis durch Zugriff auf das Epigenom praktisch mit einem Schlag ausradieren. Bei ihr im Labor, indem sie ausgewachsene Ratten, die zuvor eine Lernübung trainierten, einmalig einen Wirkstoff verabreichte, welcher die epigenetische Aktivierung des Calcineurin-Gens im Vorderhirn augenblicklich verhinderte. Die Methylierung dieses Gens ist für die Gedächtnisbildung lebenswichtig. Mindestens dreißig Tage lang konnten sich die trainierten Tiere nicht mehr an die Lösung ihrer Aufgabe erinnern.

Epigenetische Störungen bei psychischen Traumen?

Ganz ähnliche Ergebnisse lieferten Maus-Experimente von Jian Feng und seinen Kollegen von der University of California in Los Angeles. Ihre Tiere büßten ihre Lernfähigkeit und Gedächtnisbildung fast komplett ein, wenn zwei andere Gene – Dnmt1 und Dnmt3a – gentechnisch blockiert wurden. Die beiden Gene sind die Säulen der Methylierungs-Maschinerie in den Zellen. Fallen sie aus, kann der epigenetische Code im Vorderhirn nicht aufgebaut werden („Nature Neuroscience“, Bd. 13, S. 423). Die Nervenzellen erstarren förmlich.

Bei vielen geistig zurückgebliebenen Patienten hat man Defekte in diesen Schlüsselstellen des Gencodes festgestellt. Auch bei Opfern des posttraumatischen Belastungssynndroms (PTSD), die nicht nur schwer mit psychischem Stress umgehen können, sondern deren Immunsystem noch dazu schwer angeschlagen ist. Bei ihnen hat man Hinweise gefunden, dass das traumatisierende Ereignis das Epigenom offenbar mit einem Schlag verändert – sowohl dasjenige der Gehirnzellen als auch insbesondere der Zellen des Immunsystems.

Das legt zumindest eine Studie nahe, die in den „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften (doi: 10.1073/pnas.0910794107) veröffentlicht wurde. Amerikanische Wissenschaftler haben die Aktivierungsprofile von gut 14 000 Genen bei PTSD-Opfern untersucht und ungewöhnlich viele Fehlsteuerungen in Immunzellen festgestellt. Epigenetische Störungen in der Signalkaskade zwischen Gehirn und Abwehr, die durch körpereigene Hormone und Proteine vermittelt wird, könnten die Ursache dafür sein. In eine ähnliche Richtung zielen die Ergebnisse, über die Patrick Mc Gowan von der McGill-Universität in Montreal vor einiger Zeit in der Zeitschrift „Nature Neuroscience“ schrieb. Er hat die in Biobanken archivierten Gehirne von Selbstmördern untersucht, die in früher Kindheit missbraucht worden waren, und mit „unbelasteten“ gleichaltrigen Opfern von Unfällen oder Krankheiten verglichen. Ergebnis: In Zellen des Hippokampus hat er bei den Selbstmördern fast durchgängig eine abweichende, ungewöhnlich starke Methylierung zahlreicher Gene entdeckt.

Epigenetische Eingriffe als Therapiekonzept

Zwar konnte er nicht herausfinden, welche Gene dabei die entscheidenden sind. Aber nach seinen Studien an vernachlässigten Mäusen glaubt er, dass Stresshormone wie Glukokortikoide und deren Antennen auf der Zellmembran – die Rezeptoren – eine zentrale Rolle spielen. Bei den vernachlässigten und vom Muttertier selten gesäugten Tieren fand er auf der Oberfläche von Vorderhirnzellen extrem wenige Glukokortikoid-Rezeptoren. Die entsprechenden Gene waren epigenetisch quasi stillgelegt.

Prägende Erinnerungen, im Epigenom fixiert. Einen weiteren Baustein für die Schlüsselstellung dieses molekularen Gedächtnisses lieferten zuletzt Forscher um André Fischer und Shahaf Peleg vom European Neuroscience Institute Göttingen („Science“, Bd. 328, S. 753). Zusammen mit Kollegen vom Max-Delbrück-Centrum in Berlin-Buch haben sie das DNA-Gerüst, die Chromosomenfäden, von alternden Mäusen untersucht. Alte Nagetiere lernen schlechter, ebenso wie der Mensch. Die deutschen Forscher haben nun an Mäusen gezeigt, dass die nachlassende Gedächtnisleistung mit einer Trägheit des Genoms in den Zellen des Hippocampus einhergeht. Ihr Augenmerk galt dem Histon H4, einem Protein, auf dem die DNA-Fäden buchstäblich aufgewickelt sind. Lernt ein Tier, kommt es zum epigenetischen Umbau, dem Histon werden Acetylgruppen an einer speziellen Stelle biochemisch angefügt. Altern die Tiere, fällt diese epigenetische Prägung insbesondere im Gedächtniszentrum, dem Hippocampus, fast vollständig aus.

Keiner glaubt, dass diese ganz spezielle Stelle am Verpackungsprotein die Lernschwäche auslöst, so wenig wie ein einzelnes Histon oder ein methylisiertes Gen allein für die Veränderungen verantwortlich sein dürfte. Hoch spannend sind die Befunde dennoch. Denn als die Forscher in den Hippocampus der alten Tiere eine Substanz gaben, die den biochemischen Ausfall und damit den epigenetischen Histone-Code wiederherzustellen vermochte, verschwand zumindest die altersbedingte Lernschwäche der Tiere urplötzlich wieder. Was das alles nicht nur für die Wissenschaft bedeuten könnte, liegt auf der Hand. Auch wenn sich bisher niemand mit den Folgen und Nebenwirkungen beschäftigt hat, so werden in dem einen oder anderen Kopf die Strategien epigentischer Eingriffe ins Gehirn zur Therapie – und Leistungsverbesserungen – sicher schon durchgespielt.

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Ein erster Kommentar :

Da scheint sich also der jahrhundertealte Streit um Vererbung und Umweltprägung in salomonischem Wohlgefallen aufzulösen: Vom Erbgut kann Alles bestimmt sein; und Alles kann auch von Umwelteinflüssen überlagert und umgeprägt werden. Ob oder ob nicht ist im individuellen Fall verschieden – und weiß man frühestens im Nachhinein.

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~ von Panther Ray - Juni 23, 2010.

Eine Antwort to “Epigenetik: Vererbung und Individualität.”

  1. […] damit hemmen oder ganz stilllegen. Im Gegensatz zu klassischen Mutationen verändert eine solche «epigenetische» Markierung also nicht die Folge, sondern nur den Charakter einzelner Gen-Buchstaben. Verwendet man […]

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