Epigenetik

Im Gegensatz zur Genetik, die den Bauplan für die Erbinformationen in der DNA kodiert, regelt die Epigenetik die Nutzung dieser Informationen. So ist es möglich, dass Zellen im Körper unterschiedliche Funktionen erfüllen, obwohl sie in der Regel die identischen Chromosomensätze besitzen. Epigenetische Mechanismen modifizieren die an Tochterzellen mitotisch und meiotisch vererbbaren Veränderungen in der Genfunktion ohne Veränderung der DNA-Sequenzen. Sie wirken über DNA-Methylierung, Histonmodifikationen und nichtkodierende RNAs, die die Zugänglichkeit des Chromatins modifizieren bzw. die mRNA-Dosis abgelesener Gene verändern. Die Gesamtheit dieser Modifikationen im Genom bezeichnet man als das Epigenom der Zelle. Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale zwischen Genetik und Epigenetik sind im Folgenden und Abb. 1 dargestellt.

Die wichtigste Art der DNA-Methylierung ist die kovalente Bindung einer Methylgruppe an die 5’-Position von Cytosin, was zur Ausbildung von 5’-Methylcytosin (5mC) führt. Sie wird durch DNA-Methyltransferasen katalysiert, die Methylgruppen aus S-Adenosylmethionin übertragen. 5mC wird auch als die „5. Base“ des Genoms bezeichnet, da es, wie die anderen Basen (Guanosin, Thymin, Adenin und Cytosin), über DNA-Replikation vererbt werden kann. Dabei betrifft die Methylierung hauptsächlich Cytosine, die in der DNA direkt vor einem Guanin-Nukleotid, also auf der 5’-Seite der Folge Cyanin-p-Guanin (CpG; p = Phosphodiester-Brücke) liegen. Bei der Zellteilung werden die DNA-Einzelstränge entspiralisiert und getrennt repliziert. Bei der Paarung der replizierten Stränge paart sich das (methylierte) Cytosin mit einem komplementären Guanin und es bildet sich aus dem Dinukleotid 5mCpG im DNA-Gegenstrang das Dinukleotid Gp5mC: 5mCpG. Dies bedeutet, dass die Methylierungsinformation bei der Zellteilung nach der semikonservativen DNA-Replikation in beiden resultierenden DNA-Molekülen den Tochterzellen erhalten bleibt, d. h. vererbbar ist (Abb. 2). Eine Koppelung des methylierten Cytosins mit einer anderen Base als Guanin würde zum Verlust dieser Information auf dem DNA-Strang führen. Abschnitte mit mehr oder weniger langen Folgen von CpG (sog. CpG-Inseln) findet man in der Promoterregion von nahezu der Hälfte aller Gene. Die Promotor-Methylierung bei Entwicklungs-, Differenzierungs- oder Krankheitsprozessen inaktiviert in der Regel das betreffende Gen, da hypermethylierte Promotorregionen Transkriptionsfaktoren (TFs) nicht mehr binden. Gleichzeitig werden Histone modifiziert. Diese Modifikation äußert sich in einer sehr kompakten Chromatinstruktur (Heterochromatin). In Ausnahmefällen kann die Hypermethylierung indirekt auch zu einer Aktivierung der Transkription benachbarter Gene führen.

Nach der Befruchtung liegen die haploiden mütterlichen und väterlichen Genome in der Zygote noch in separaten Kernhüllen, den Pronuklei. Hier werden die elterlichen Genome durch Demethylierung der DNA getrennt prozessiert und reaktiviert. Der Vorgang setzt sich bis zum Blastozystenstadium fort und gleicht die beiden elterlichen Genome epigenetisch einander an. Dabei verliert das väterliche Genom durch einen aktiven Demethylierungsprozess noch vor der ersten Replikation seine Methylierungsmuster, wohingegen das mütterliche Genom schleichend durch Unterdrückung der Methylierung des Folgestrangs bei der Replikation demethyliert wird. Eine besondere Rolle hat die DNA-Methylierung bei geschlechtsdifferenziell methylierten Regionen einzelner Gene (Abschn. 5, Imprinting). Diese geschlechtsspezifisch methylierten Regionen (DMRs), die in cis funktionell die Expression von ausschließlich einem definierten elterlichen Allel betroffener Gene bedingen, entgehen der genannten Demethylierungswelle.

In höheren Organismen ist neben 5-Methylcytosin (5mC) das 5-Hydroxymethylcytosin (5hmC) die zweite wichtige Modifikation von DNA-Basen. 5-Hydroxymethylcytosin wird in vivo durch Oxidation von 5mC gebildet. Der 5hmC-Gehalt scheint stark gewebespezifisch zu sein und wird auch mit der Regulierung der Pluripotenz von Stammzellen sowie mit der Karzinogenese in Verbindung gebracht. So findet sich 5hmC angereichert im Gehirn und in embryonalen Stammzellen nahe bei und in bestimmten Genen und diese Anreicherung korreliert positiv mit der Transkription dieser Loki. DNA-Methylierungsmuster sind plastisch. Sie variieren abhängig von dem Differenzierungsgrad, Zelltyp und Alter zwischen Individuen und deren Zelltypen sowie zwischen Spezies.

Der zweite Mechanismus der epigenetischen Regulation des Genoms sind Histonmodifikationen. Histone sind nukleäre Proteine, um die der DNA-Faden im Zellkern zur Chromosomenstruktur gewunden und komprimiert wird. Die kleinste Verpackungseinheit der so komprimierten DNA ist ein Nukleosom, zusammengesetzt aus je zwei der Histone H2A, H2B, H3 und H4. Das verbleibende Histon H1 verknüpft die einzelnen Nukleosome und erhöht ihre Dichte. Da Histone positiv geladen sind, entsteht eine starke elektrostatische Anziehung zur negativ geladenen DNA. Histone bestehen aus einem globulären Zentrum und flexiblen endständigen Armen („histone tails“). Neben den Histonkernen können insbesondere die Aminosäuren dieser Arme chemisch modifiziert werden. Neben Methylgruppen werden andere chemische Marker wie Acetyl-Reste, Phosphat-Reste oder auch Ubiquitin und ähnliche kleine Proteine an Histone geheftet. Es entstehen variable Muster und ein regelrechter Histon-Kode, der vom genetischen Apparat der Zelle unterschiedlich interpretiert wird. So hat etwa eine spezifische Acetylierung von Histon H3 (H3K9ac) eine Auflockerung des Chromatins (Euchromatin) und konsequenterweise eine Expression des betreffenden Gens zur Folge. Demgegenüber resultiert die Methylierung der Aminosäure Lysin in Histon 3 (H3K27me2 bzw. H3K27me3) in einer Verdichtung des Chromatins mit nachfolgend reduzierter Transkription des betroffenen Genlokus bis hin zur transkriptionellen Inaktivierung (Abb. 2). Histone werden durch spezifische Enzyme und Methylierung modifiziert und können ihrerseits die DNA-Methylierung beeinflussen.

Zusammenfassend beeinflussen Histonmodifikationen den Verpackungsgrad der DNA im Chromatin und regeln so, wie auch die DNA-Methylierung, die Zugänglichkeit betreffender Erbinformationen auf der DNA. Wie die DNA-Methylierung können auch Histonmodifikationen, und damit der Zustand des Chromatins (dichte oder lockere Verpackung), über Zellgenerationen hinweg vererbt werden (Abb. 2). Es sei zudem angemerkt, dass das Genom in topologisch assoziierte Domänen (TADs) unterteilt ist, in denen Gene besonders aktiv miteinander in Wechselwirkung treten. Auch befinden sich TADs mit hoher Transkriptionsaktivität in anderen Zellkernregionen als weniger aktive TADs.

Die Nutzung von Erbinformationen wird weiterhin durch nicht-proteinkodierende RNAs (ncRNAs) reguliert. Solche ncRNAs sind z. B. die für die Translation wichtigen transfer-RNAs (tRNAs), die Aminosäuren für die Proteinherstellung transportieren.

Zu den medizinisch relevanten ncRNAs gehören lange nicht kodierende RNAs (lncRNAs). Sie umfassen mindestens 200 Nukleotide und regulieren hauptsächlich die Menge entsprechender Zielgenprodukte. Sie tun dies, indem sie mit Proteinen mRNA-Riboproteinkomplexe bilden. Diese Komplexe werden an spezifische Stellen im Genom gebunden und modifizieren diese Regionen. So kann die H19-mRNA von dem Enhancer-of-zeste-homolog-2(EZH2)-Protein, einem Histon-Lysin-N-Methyltransferase-Enzym, gebunden werden, und dadurch die Trimethylierung von Histon H3 an dem Lysin an Position 27 des histone-tails in Promotoren bestimmter Zielgene, wie dem E-Cadherin-Gen katalysieren und damit dessen Transkription hemmen.

Kurzkettige nicht kodierende RNAs (miRNAs) sind hingegen lediglich 17–25 Nukleotide lang und modellieren die Proteinexpression auf posttranskriptioneller Ebene. Sie binden an noch nicht translatierte mRNA eines Zielgens und unterdrücken so die mRNA-Translation. Alternativ können sie einen RNA-Interferenzmechanismus (RNAi) aktivieren, der die gebundene mRNA mittels des RNA-induzierten Silencing-Komplexes (RISC) zerschneidet.

Zusammenfassend bewirken lncRNAs und miRNAs eine komplexe Feinsteuerung der Genprodukte auf verschiedenen molekularen Ebenen und spielen für verschiedenste physiologische Prozesse, z. B. bei Zellproliferation, Zelldifferenzierung und Apoptose, eine regulierende Rolle. Sie können im Rahmen ihrer Halbwertszeit über Zellteilungen weitergegeben werden, bzw. sind Mediatoren anderer epigenetischer Mechanismen.

Ungefähr 100–200 Gene im menschlichen Genom werden spezifisch nur von einer definierten elterlichen Genkopie (mütterlich oder väterlich) transkribiert. Man nennt dieses Phänomen genomische Prägung („genomic imprinting“). Es ist das Resultat eines epigenetischen Prozesses, bei dem weibliche oder männliche Keimbahnzellen in bestimmten chromosomalen Regionen spezielle Markierungen in Form von DNA-Methylierung und Histonmodifikationen (Prägungen, Imprints) haben. Diese Markierungen sind mitotisch stabil, bleiben während Entwicklung und Wachstum des Organismus erhalten und vermitteln eine elternspezifische monoallelische Transkription, also eine aktive und eine inaktive Genkopie. Diese kann gewebsspezifisch sein und das inaktive Allel kann noch eine Restaktivität aufweisen. Bei der Keimzellbildung im adulten Organismus werden die unterschiedlichen elterlichen Markierungen gelöscht und durch geschlechtsspezifische Markierungen ersetzt. Gene, die dem genomischen Imprinting unterliegen, kommen in der Regel in Gruppen (Clustern) vor. Sie werden koordiniert in einer Chromosomendomäne reguliert. Bisher sind solche Cluster auf den Chromosomen 6, 7, 11, 14 und 15 gefunden worden. In den meisten Regionen mit allelspezifischer epigenetischer Markierung (durch DNA-Methylierung und Histonmodifikationen) wird die Expression des einen Genallels aktiviert und die des anderen inaktiviert. Man nennt diese Regionen daher auch Imprinting-Kontroll-Regionen („imprinting control regions“, ICRs). Unterschiedlich methylierte Regionen („differentially methylated regions“, DMRs) binden methylierungsabhängig Regulationsfaktoren und beeinflussen cis-aktiv die Transkription. Der Verlust oder die fehlerhafte epigenetische Markierung eines solchen Elements beeinflusst die Expression der meisten oder aller Gene innerhalb des geprägten Genclusters und führt zu entsprechenden Imprinting-Krankheiten. Auch eine uniparentale Disomie (UPD), d. h. das Vorhandensein zweier Kopien eines Chromosoms (oder Chromosomenteils) von einem Elternteil und Fehlen der entsprechenden anderen elterlichen Kopie führt, falls sie eine Region mit geprägten Genen betrifft, zu einer Imprinting-Krankheit. Je nachdem, ob es sich um eine mütterliche oder um eine väterliche UPD handelt, werden beide Allele der imprimierten Gene entweder aktiv oder inaktiv. Da die meisten geprägten Gene eine Rolle bei der Embryonalentwicklung spielen, fallen Imprinting-Defekte klinisch bereits pränatal auf.

Die Aktivität eines geprägten Gens kann auch durch eine chromosomale Deletion, Duplikation oder eine Punktmutation beeinflusst werden. Weil nur eine Genkopie aktiv ist, reicht eine Mutation (ein hit) auf dem aktiven Allel aus, um ein Gen zu inaktivieren und damit eine Erkrankung auszulösen (Abb. 3). In diesen Fällen bestimmt die elterliche Herkunft der Aberration die klinischen Folgen. So führt eine paternale Deletion 15q11q13 zum Prader-Willi-Syndrom (PWS), eine maternale Deletion 15q11q13 dagegen zu einem Angelman-Syndrom (AS).

Imprinting-Krankheiten sind selten. Da sie durch verschiedene genetische und/oder epigenetische Defekte verursacht sein können, lässt sich aus dem Krankheitsbild nicht zwangsläufig bereits auf die spezifische Ursache schließen. Beispiele von Imprinting-Defekten sind in Tab. 1 aufgeführt.

Mit Ausnahme von Imprinting-Defekten aufgrund einer Keimbahnmutation haben die meisten Patienten mit kausalen epigenetischen Defekten, wie z. B. einer UPD, mosaikförmig normale und abnorme Zellregionen. Die Defekte entstehen in der frühen Individualentwicklung (z. B. Morula) in einzelnen Zellen, und nur die daraus abstammenden somatischen Zellen tragen den Defekt mit entsprechender Klinik. Dies erklärt auch den sehr variablen Phänotyp der einzelnen Krankheitsbilder, die eher ein Spektrum darstellen. Trotz einer Vielzahl umfassender Studien auf der Basis großer Fallzahlen gab es bislang oft keine einheitlichen Diagnosekriterien und Therapieempfehlungen für Patienten mit Imprinting-Defekten. Aktuell werden daher zu den meisten Imprinting-Erkrankungen durch internationale Experten unter Einbeziehung von Patientenorganisationen Empfehlungen zu klinischer, molekularer Diagnostik und Betreuung erstellt, auf die hier verwiesen wird.

Die Anfälligkeit der Zellen in der frühen Individualentwicklung dürfte auch der Grund dafür sein, dass z. B. das Beckwith-Wiedemann-Syndrom häufiger bei Kindern beobachtet wird, die durch künstliche Befruchtung empfangen worden sind. In diesem Zusammenhang wird diskutiert, ob die zum Einsatz kommenden assistierten Reproduktionstechnologien (ART), wie die intrazytoplasmatische Spermieneinjektion (ICSI) mit der entsprechenden hormonellen Eizellstimulation oder die In-vitro-Kultivierung von frühen Embryonen, Veränderungen in der DNA-Methylierung hervorrufen können.