Diese Arbeit befasst sich anhand von verschiedenen Organismen mit der Fragestellung: In welchem Maß lassen sich Gene durch die Umwelt steuern und wie funktioniert diese Beeinflussung? Dazu wird zuerst ein Einblick in das Themengebiet der Epigenetik gegeben. Danach werden die theoretischen Grundlagen und die drei wichtigsten epigenetischen Mechanismen bei Eukaryoten erläutert.
Weiter werden verschiedene Umweltfaktoren und ihre Wirkung anhand unterschiedlicher Beispiele sowie die Vererbung epigenetischer Modifikationen betrachtet. Danach wird ein Experiment mit Drosophila erklärt und ausgewertet. Abschließend werden die wichtigsten inhaltlichen Ergebnisse mit Bezug auf die zentrale Fragestellung nochmals zusammengefasst und ein persönliches Fazit gezogen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Die Epigenetik
3. Epigenetische Mechanismen
3.1 Grundlagen: DieProteinbiosynthese
3.2 DNA-Methylierung
3.3 Histon-Acetylierung und Histon-Phosphorysierung
3.4 RNA-Interferenz
4. Auswirkung von Ernährung und Lebensstil auf das Epigenom
5. Vererbbarkeit von epigenetischen Modifikationen
6.1 Experiment zur Epigenetik mit Drosophila
6.2 Material
6.3 Aufbau und Durchführung
6.4 Beobachtungen
6.5 Auswertung und Hypothesen
7. Fazit und weiterführende Experimente
8. Anhang
l. Einleitung
„Diejunge Forschungsdisziplin der Epigenetik rüttelt an den Festen der Biologie: Nicht nur die Gene legen fest, wie wir sind und welche Krankheitsrisiken wir tragen. Auch Einflüsse aus der Umwelt hinterlassen tiefe Spuren im Inneren einer Zelle“.1
Dieses Zitat von Johannes Huber regt zum Nachdenken an. Denn nahezujede Zelle im menschlichen Körper besitzt die identischen genetischen Informationen. Trotzdem unterscheiden sich die verschiedenen Zelltypen maßgeblich und sogar monozygote Zwillinge weisen teilweise unterschiedliche Merkmale auf. Welcher Abschnitt der DNA wie oft abgelesen wird kann die Zelle durch epigentische Mechanismen steuern und so Veränderungen bei der Genexpression hervorrufen. Forscher beschäftigen sich schon länger mit diesem Teilgebiet der Genetik, dennoch sind viele Prozesse noch nicht erklärbar, was die Epigenetik für Wissenschaftler so spannend macht. Des weiteren könnten neue Erkenntnisse über die Wirkung von Umweltfaktoren auf die Gene auch in der Medizin angewandt werden um Krankheiten zu behandeln oder ihnen vorzubeugen.2 Darüber hinaus sind neue Erkenntnisse auch für die Allgemeinheit wichtig und spannend, da jeder versuchen kann seinen Lebensstil zu verändern und somit seine Gene zu steuern und sogar Einfluss auf das Leben seiner Nachfahren zu nehmen. Grüner Tee soll sogar so gesund sein, dass er Krebs vorbeugen kann.3 Somit eröffnet die Epigenetik viele neue Möglichkeiten, erntet aber auch viel Kritik, im Besonderen für die Vorgehensweise und die Mittel der Forschung. Denn oft werden Tierversuche zu Forschungszwecken genutzt oder teilweise unzureichende Studien beispielhaft herangezogen. Trotzdem ist die Epigenetik als Bindeglied zwischen Umweltfaktoren und den festgelegten Genen ein wichtiges Forschungsgebiet. Diese Arbeit befasst sich anhand von verschiedenen Organismen mit der Fragestellung: „In welchem Maß lassen sich Gene durch die Umwelt steuern und wie funktioniert diese Beeinflussung“? Dazu wird zuerst ein Einblick in das Themengebiet der Epigenetik gegeben. Danach werden die theoretischen Grundlagen und die drei wichtigsten epigenetischen Mechanismen bei Eukaryoten erläutert. Weiter werden verschiedene Umweltfaktoren und ihre Wirkung anhand unterschiedlicher Beispiele, sowie die Vererbung epigenetischer Modifikationen betrachtet. Danach wird ein Experiment mit Drosophila erklärt und ausgewertet. Abschließend werden die wichtigsten inhaltlichen Ergebnisse mit Bezug auf die zentrale Fragestellung nochmals zusammengefasst und ein persönliches Fazit gezogen. Es werden in dieser Arbeit nur die drei wichtigsten epigenetischen Mechanismen behandelt, da sonst die vorgegebene Länge von 12 Seiten überschritten werden würde. Auch das Ausmaß epigenetischer Regulationen wird nur an ausgewählten Beispielen erläutert, um möglichst klar und genau auf die Beispiele eingehen zu können.
2. Die Epigenetik
Die Epigenetik befasst sich mit der Wirkung von Umweltfaktoren auf die Aktivität von Genen bei Eukaryoten. Denn Gene können durch epigenetische Mechanismen aktiviert oder inaktiviert werden. Dabei handelt es sich aber nicht um Mutationen sondern um Modifikationen, bei denen der DNA-Strang fester oder lockerer um die Histone gewunden wird. Diese Veränderungen wirken sich nur phänotypisch aus und sind reversibel, da keine Veränderungen in der DNA-Sequenz vorgenommen werden. Diese Veränderungen werden unter dem Begriff „Epigenom“ zusammengefasst. Dies ist sozusagen das Gedächtnis der Gene und steht in Wechselwirkung mit Umweltfaktoren und dem Genom. Das Epigenom ist durch Umwelteinflüsse veränderbar und kann verschiedene Gene anschalten oder abschalten und bestimmt so auch welche Zelle im Körper welche Funktion übernimmt. So haben Hautzellen andere Funktionen als Leberzellen, da andere Genabschnitte aktiviert sind.4 Das Genom hingegen besitzt alle Gene welche theoretisch abgelesen werden könnten, kann aber nicht steuern welche davon abgelesen werden. Damit ist das Epigenom eine Art zweite Ebene des Genoms, welche das Genom steuert. Damit ermöglicht die Epigenetik uns Einfluss darauf zu nehmen, wer wir letztendlich sein wollen und unsere Gene zu beeinflussen. Des weiteren spiegelt unser Epigenom viele Einflüsse aus unserer Umwelt wieder. Dazu gehören unter anderem unser Essverhalten, Sportverhalten und sogar traumatische Erfahrungen. Eine Studie untersuchte die epigenetischen Profile bei monozygoten Zwillingen in verschiedenen Altersstufen. Mit 3 Jahren waren die Profile noch nahezu identisch in älteren Altersstufen sah man aber bei 35% deutliche Unterschiede.5
3. Epigenetische Mechanismen
3.1 Grundlagen: Die Proteinbiosynthese
Bei der Proteinbiosynthese wird durch Transkription und Translation aus einem Gen ein Protein hergestellt. Zuerst erfolgt bei der Transkription das Synthetisieren eines komplementären prämRNA-Strangs durch das Ablesen des codogenen Strangs eines Genabschnittes mittels der RNA-Polymerase II. Anschließend werden die Introns durch das sogenannte Spleißen von den Exons abgetrennt. Dieser mRNA-Strang wird dann vom Nucleus in das Cytoplasma transportiert. Dort binden die ribosomale Ober- und Untereinheit an die mRNA und synthetisieren aus ihr ein Polypeptid. Dabei liefern tRNAs die passenden Aminosäuren.6 Dieses faltet sich in einer bestimmten Struktur zusammen. Dies ist dann das fertige Protein.
3.2 DNA-Methylierung
Bei der DNA-Methylierung wird die DNA chemisch modifiziert und damit ihre Transkription gehemmt. Dabei binden Methylgruppen durch das Enzym DNA-Methyl- transferase an den DNA-Strang. Genauer binden sie an das fünfte C-Atom der Base Cytosin, vor allem wenn nach dieser die Base Guanin folgt. Denn diese sogenannten CpG-Inseln liegen häufig im Bereich der Promotorregion.7 Sie bilden durch die lockere Chromatinstruktur eine Bindungsstelle für Transkriptionsfaktoren. Die angelagerten Methylgruppen verhindern die Bindung dieser Transkriptionsfaktoren sowie die Bindung von Enhancer und Repressormolekülen.8 Zudem wird das Binden der RNA- Polymerase II erschwert und die Methylgruppen ziehen weitere Proteine an, welche eine Verdichtung des Chromatins hervorrufen. Das bedeutet, dass die DNA enger um die Histone gewickelt wird. Damit sind die Gene inaktiviert und die Transkription wird inhibiert.9 In diesem Zustand bezeichnet man das Chromatin als Heterochromatin. Die Methylierung der DNA ist ein reversibler Vorgang, da das Enzym Histon-Demethylase die CH3-Gruppen wieder entfernen kann.10 Gene die öfter transkribiert werden weisen eine weniger starke Methylierung auf als Gene die seltener transkribiert werden. Nach der Replikation der DNA wird das Methylierungsmuster schnell auf den Tochterstrang übertragen, sodass das Methylierungsmuster weiter erhalten bleibt.11
3.3 Histon-Acetylierung und Histon-Phosphorysierung
Bei der DNA-Acetylierung wird die Bindung einer Acetylgruppe an die Histone durch das Enzym Histon-Acetyl-transferase katalysiert. Dabei binden die Acetylgruppen an Polypeptidketten, die sogenannten Histonschwänze, welche vor allem aus der positiv geladenen Aminosäure Lysin bestehen. Dieser Bereich wird auch als Amino-Terminus bezeichnet. Die angehangenen Acetylgruppen neutralisieren diese positive Ladung im Amino-Teminus der Histone und schwächen somit die Anziehungskraft zwischen der negativ geladenen DNA und den Histonen. Diesen Komplex aus Histonen und DNAStrang, dessen Verpackungsgrad variabel ist, bezeichnet man als Chromatin. Dieses Chromatin liegt dann als Euchromatin vor und ermöglicht in dieser aufgelockterten Struktur Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase II an die DNA zu binden und die Transkription zu vollziehen. Zudem ist auch diese epigenetische Modifikation reversibel, da das Enzym die Acetylgruppen Histondeacetylasen wieder von den Histonschwänzen entfernen kann. Auch durch das reversible Anhängen von Phosphatgruppen lockert sich die Verpackungsstruktur des Chromatins und die Genabschnitte können transkribiert werden.12 Bei Genen die aktiv transkribiert werden ist Histon-Acetylierung verstärkt aufzufmden.13
3.4 RNA-Interferenz
Der Prozess der RNA-Interferenz inhibiert die Translation der mRNA in Polypeptidketten. Daran sind entweder die small interfering RNAs oder die micro RNAs beteiligt. Die vorläufige SiRNA ist ein doppelsträngiges RNA-Molekül, welches in der Zelle selbst hergestellt wird, aber auch von außen in die Zelle gelangen kann. Das Enzym „Dicer“ trennt den langen SiRNA-Strang in kürzere Stränge von etwa 21 Nukleotiden auf. Durch die Bindung, mit Hilfe von TRBP, an RISC (RNA-induced silencing complex), wird der Abbau von einem der beiden Stränge durch ein Argonautenprotein initiiert. Der Strang der die komplementäre Basenabfolge zur Zielsequenz besitzt, bleibt weiterhin an das Protein gebunden. Dies ermöglicht der SiRNA dann, an eine spezifische Sequenz einer mRNA zu binden und diese zu vernichten. Somit kann keine Translation stattfinden.14 Die Funktionsweise der micro RNAs ist ähnlich. Der einzige Unterschied ist, dass diese an viele verschiedene mRNAs binden können, da sie nur mit ihrer Seed-Region binden.15 Diese befindet sich meistens an ihrem 5‘ Ende an den Positionen zwei bis sieben.16 Nur diese kurze Sequenz muss komplementär zur Zielsequenz sein, um die Translation der mRNA zu beeinflussen.
Wenn die miRNA an die mRNA gebunden hat, kann sie den Abbau der mRNA initiieren oder die Bindung von Ribosomen verhindern.17
4. Auswirkung von Ernährung und Lebensstil auf das Epigenom
In einer Studie aus Washington wurde die Wirkung von Ernährung, Sport und Schlaf auf das epigenetische Alter untersucht. Dazu wurden männliche Probanden, im Alter von 50-72 Jahren unter eine strenge Diät gesetzt. Sie mussten bestimmte Emährungs-, Sport- und Schlafregeln befolgen. Die Durchführung der Studie dauerte 8 Wochen. Zu Beginn der Studie wurde den Probanden eine Speichelprobe entnommen. Des weiteren wurden noch weitere Speichelproben in den Wochen 5 und 9 entnommen. Diese wurden zunächst eingefroren, um später das epigenetische Modifikationsmuster zu analysieren. Die Ergebnisse der Studie zeigten auf, dass die Probanden ihr epigenetisches Alter im Durchschnitt um 1,96 Jahre gesenkt haben. Die meisten Probanden der Studie behielten ihr epigenetisches Alter bei oder senkten es. Allerdings gab es auch den vereinzelten Fall, dass das epigenetische Alter eines Probanden erhöht wurde, da mehr Methylierungen an der DNA zu finden waren.18 Diese Studie zeigt, dass der Lebensstil durchaus einen großen Einfluss auf unsere Gene haben kann. Denn das epigenetische Alter wird anhand des Methylierungsmusters an bestimmten Genen bestimmt. Mit dem Alter nimmt der Grad der Methylierungen an der DNA zu. Somit kann ein gesunder Lebensstil zu einem jüngeren biologischen Alter führen. Das bedeutet, dass der Alterungsprozess verlangsamt und hinauszögert wird. Des weiteren wird dem Ausbrechen von Krankheiten wie Krebs besser vorgebeugt. Damit ermöglicht ein besserer Lebensstil ein längeres und gesünderes Leben.19 Allerdings zeigt diese Studie auch das epigenetische Beeinflussung nicht bei jedem funktioniert oder zumindest nicht im gleichen Ausmaß (Abb.l).
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1 Prof. Dr. Johannes Huber: Liebe lässt sich vererben. Zabert Sandmann, 29.09.2010, Klapptext
2 Franziska Badenschier und Thomas Schwarz (2011/29.04.2022) in planet wissen: „Epigenetik“;URL:https://www.planet-wissen.de/natur/forschung/epigenetikindex.html. letzter Aufruf: 19.05.2022
3 Tomasso Filippini, Francesca Borrelli, Angelo A Izzo, Susan J Fairweather-Tait, Markus Homeber und Marco Vinceti in Cochrane Library: „Green tea for the prevention of cancer“, 02,03,2020, letzter Aufruf: 19.05.2022 URL:https://www.cochranelibrary.com/cdsr/doi/10.1002/14651858.CD005004.pub3/full
4 Volker Henn, Wissensschau: „Epigenetik: Gene haben ein Gedächtnis“, 20.10.2021, letzter Aufruf: 04.06.2022, URL: https://www.wissensschau.de/genom/epigenetik und epigenom.php
5 Europäische Kommision: „CORDIS“ Forschungsergebnisse der EU, 12.07.2005, letzter Aufruf: 04.06.2022 URL: https://cordis.europa.eu/article/id/24134-spanish-researcher-reveals-basis-for- differences-between-identical-twins/de
6 Westermann Bildungsmedien Verlag GmbH: Lindner Biologie SII, S.148, Erscheinungsjahr: 2019
7 Tobias Puley auf „TeacherToby“: „DNA-Methylierung + Histonmodifikation“, 03.04.2020, letzter Aufruf: 3.6.2022, URL: https://www.youtube.com/watch?v=c6o7ZlqQXcc
8 J. Amemann auf„Springer“: „DNA-Methylierung“, 17.04.2019, letzter Aufruf: 04.06.2022, URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-48986-4 3465
9 Silke Lambing in „Die Aktuelle-Wochenschau der GDCh“, Juni 2013, letzter Aufruf: 03.06.2022 URL: https://archiv,aktuelle-wochenschau.de/druck/2013/wochenschau06 2013,pdf
10 Tobias Puley, URL: https://www.youtube.com/watch?v=c6o7ZlqOXcc
11 Spektrum: Lexikon der Biologie: „DNA-Methylierung“, letzter Aufruf: 04.06.2022, URL: https:// www. Spektrum, de/lexikon/biologie/dna-methylierung/18848#
12 Tobias Puley, URL: https://www.youtube.com/watch?v=c6o7ZlqQXcc
13 Spekrtum: „Histon-Acetylierung“, URL: https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/histon-acetylierung/32066
14 Tobias Puley auf „TeacherToby“: „RNA-Interferenz - Mechanismus zum Abschalten von Genen“, 05.10.2021, letzter Aufruf: 05.06.2022, URL: https://www.youtube.com/watch?v=znMiF9WKlCM
15 Nature Video: „RNA interfemece (RNAi)“, 16.12.2011, letzter Aufruf: 05.06.2022, URL: https:// www.youtube.com/watch?v=cK-QGBl ELE&t=162s
16 Qiagen: „What is the „seed sequence“ of a miRNA?“, letzter Aufruf: 05.06.2022, URL: https://www.qiagen.com/no/resources/faq?id=d5eb2638-a655-4f47-a8el-0b8c76653e41&lang=en
17 Katharina Petsche, „Gene silencing by microRNA“, 18.05.2015, letzter Aufruf: 05.06.2022, URL: https://www.youtube.com/watch7vM5jroSCBBwk
18 Kara N. Fitzgerald, AGING: „Potential reversal of epigenetic age using a diet and lifestyle intervention: a pilot randomized clinical trial“, 12.04.2021, letzter Aufruf: 06.06.2022,URL: https://www.aging-us.com/article/202913/text
19 Theo Dingermann, Pharmazeutische Zeitung: „Lässt sich das biologische Alter medikamentös zurückdrehen?“, 23.09.2019, letzter Aufruf: 06.06.2022, URL: https://www.pharmazeutische- zeitung.de/laesst-sich-das-biologische-alter-medikamentoes-zurueckdrehen/
- Citar trabajo
- Anónimo,, 2022, Epigenetik. Wie sich Gene durch Umwelteinflüsse verändern können, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1282473
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