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Epigenetik

Die Epigenetik ist ein Forschungsgebiet, das heute im Zentrum der weltweiten Aufmerksamkeit liegt. Der Grund hierfür ist, dass nach der Sequenzierung des menschlichen Genoms vor zwölf Jahren schnell klar wurde, dass wesentliche Aspekte der Zellregulation nicht direkt aus der genomischen DNA abzulesen sind – denn diese ist ja in allen Zellen gleich. Dagegen unterscheiden sich verschiedene Zellen erheblich voneinander – etwa Zellen in verschiedenen Geweben sowie kranke von gesunden Zellen. Ferner beeinflussen zentrale biologische Prozesse, wie die Antwort auf Stress und das Altern, den Zellzustand umfassend. Diese Faktoren der Zellregulation gehen auf die dynamische Organisation des Genoms im Zellkern zurück, die wiederum auf chemischen Modifikationen der genomischen DNA und des sie umgebenden Molekülgerüsts aus Proteinen beruht.

 

 

Die Epigenetik wurde in den 1980er Jahren zunächst als die Wissenschaft der Vererbung solcher Eigenschaften definiert, die sich nicht durch die in DNA codierte Information manifestieren. Es stellte sich dann jedoch schnell heraus, dass solche Vererbungsvorgänge, wie auch die Zellregulation allgemein, auf die komplexe Art gestützt sind, in der das Genom im Zellkern verpackt wird. An dieser Verpackung sind spezielle Proteine beteiligt, die zusammen mit der genomischen DNA das sogenannte Chromatin bilden. Das Chromatin erfüllt zwei Aufgaben. Zum einen muss die genomische DNA, die in ihrer gesamten Länge 2 m misst, in dem Zellkern mit einem Radius von einem tausendstel Millimeter untergebracht werden. Zum anderen sollen die Teile der genomischen DNA, in denen Information codiert ist, die nicht von der Zelle gebraucht wird, vor dem Ablesen geschützt werden. Da die genomische In- formation, die die Zelle benötigt, von dem Gewebe und dem Zellzustand abhängt, ist das Chromatin hoch dynamisch. Seine Struktur wird durch vielfältige chemische Modifikationen der DNA selbst und der sie umgebenden Proteine gesteuert. Die Gesamtheit dieser Modifikationen bezeichnet man als das Epigenom.

Mit in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelten molekularbiologischen Techniken können diese Modifikationen (epi-) genomweit vermessen werden. Damit ist das Epigenom kartierbar geworden. Während ein Mensch nur ein Genom hat, hat er im Gegensatz dazu viele Epigenome. Im Prinzip unterscheiden sich die Epigenome in allen der etwa 200 Gewebetypen des Organismus. Darüber hinaus unterscheiden sie sich in jedem Zelltyp in gesunden und krankhaft veränderten Zellen. Die Kenntnis des Epigenoms gilt als Voraussetzung für das Verständnis der Prozesse in dem betre enden Zelltyp. Aus diesem Grund wurde vor einigen Jahren das International Human Epigenome Consortium (IHEC) gegründet – ein weltweiter Zusammenschluss von Wissenschaftlern mit dem Ziel, in den nächsten Jahren mindestens 1.000 Epigenome von menschlichen Zellen zu kartieren. Das Zentrum für Bioinformatik ist an zwei Stellen an IHEC beteiligt (siehe Projekte DEEP und BLUEPRINT).