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Maximilian Vieres 2017-01

Epigenetik

Die Epigenetik ist ein Spezialgebiet der Genetik. Sie befasst sich mit Mechanismen und Folgen der Chromosomenmodifikation, bei denen die DNA-Sequenz nicht verändert wird. Ein Ziel der Forschung ist es u.a. herauszufinden, wie sich totipotente Stammzellen im Laufe des Lebens des Organismus zu Körperzellen mit bestimmter Funktion entwickeln und dabei erworbene Eigenschaften der Eltern vererbt werden. 


Einführung in den Verpackungszustand der DNA

Der DNA-Komplex besteht aus zwei Teilen: Dem DNA-Faden ansich und den Histonen, die den DNA-Faden struktiurieren. Histone werden umgangssprachlich als „Verpackungsmaterial“ bezeichnet. Hierbei wickelt sich die DNA tausende Male um das jeweilige Histon; das entstandene Gebilde wird Nucleosom genannt.
 

-Bild-
Quelle: http://www.scinexx.de/dossier-detail-437-6.html 

alternativ: https://de.wikipedia.org/wiki/Histon#/media/File:Nucleosome_structure-2.png

Histone definieren somit den „Verpackungsgrad“ / epigenetischen Marker des DNA-Abschnittes. Der Verpackungsgrad hat direkten Einfluss auf die Genexpression.
 


Wie funktioniert dieser epigenetische Mechanismus?

Histone haben Proteinschwänze, die nahezu alle Eigenschaften des DNA-Komplexes kontrollieren.
Damit die DNA-Polymerase die Basen ablesen kann, muss die DNA-Region in „lockerer“ Form (auch Euchromatin genannt) vorliegen; bzw. der Verpackungszustand muss geändert werden. Das geschieht durch Acetylierung (oder Phosphorylierung) der Histonschwänze, wobei die angehängte Acetylgruppen die positiven Ladungen aufheben. Es kommt zu einer Destabilisierung des DNA-Moleküls.
Konträr dazu kann man eine höhere Verpackungsdichte erreichen, indem man Acetylgruppen reduziert oder Histone methylisiert. Solche Bereiche werden als Heterochromatin bezeichnet. Das Heterochromatin kann somit nicht mehr von RNA-Polymerasen abgelsen werden.

 -Bild-
Quelle Bild: CC-by-sa 3.0/de by wikicommonsuser Bernard Kleine; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:NucleosomeRegulation.png
 


Wann, wie und wo tritt Epigenetik auf?

Die Methylierung von Histonen tritt vor allem bei Wirbeltieren auf. So stellten Forscher des Nationalen Spanischen Krebszentrums fest, dass bei jungen Zwillingen die Genaktivität nahezu gleich ist. Im Alter dagegen ist die Genaktivität bei identischem Erbgut fundamental unterschiedlich. Umwelteinflüsse bestimmen die Art der Methylierung der Histone. Z.B. sind im menschlichen Genom 90% des Erbgutes nicht kodierende und repetitive Bereich, die durch Methylisierung deaktiviert wurden. Dies geschah im Laufe der Evolution, da jene epigenetischen Marker -gemeint sind die Histone mit diversen Methylgruppen- bei der DNA-Replikation und der Keimzellenbildung mitkopiert werden, so dass epigenetische Veränderungen von einer Zellgeneration an die nächste weitergegeben werden können.


Beispiele für epigenetisches Gedächtnis

Ein Beispiel für das epigenetische Gedächtnis sind die Nachkommen des Hungerwinters 1944/1945. Die von der Nahrungsknappheit betroffen Mütter gebaren untergewichtige Kinder. Diese litten später jedoch überdurchschnittlich oft an Schizophrenie, Depressionen und Diabetes. Auch die Nachkommen dieser Generation waren unterdurchschnittlich groß und schwer, obwohl diese in Zeiten ohne Nahrungsknappheit gezeugt wurden. Die DNA der Enkel enthielt also Informationen über die Lebensbedingungen der Großeltern, welche durch epigenetische Veränderungen weitergegeben wurden.
Des Weiteren vermuten Wissenschaftler, dass epigenetische Veränderungen im Mittelalter dazu beitrugen, dass die Nachkommen von Generation zu Geberation besser an den jeweiligen Beruf angepasst waren. So konnte die DNS eines Schmieds, dessen Vater und Großvater ebenfalls Schiede waren, u.a., mit einer größeren Muskelmasse, sich der harten körperlichen Arbeit besser anpassen
 
Genauere Angaben können aber noch nicht getätigt werde, da die Forschung zum jetzigen Zeitpunkt nur rudimentäre Erkenntnisse besitzt und weitere Experimente gemacht werden müssen.
 


Was bewirkt nun die Epigenetik?

Durch die Akitvierung/ Deaktiverung von Genen spart der Körper Zeit und Energie, da nur das abgelesen wird, was gebraucht wird. Somit wird die Effektivität gesteigert.
Die Hauptaufgabe ist jedoch der Schutz des Genoms. Durch die Methylierung werden genetische Eindringlinge stumm geschaltet. Zerstört man experimentell die Methylierung von Histonen, so steigt die Mutationsrate an und invasive Elemente werden aktiv.


Ausblick

In der Zukunft könnten mit Hilfe der Epigenetik Methoden entwickelt werden, Tumore zu bekämpfen. Dazu benötigt man aber eine „Landkarte“ des menschlichen Erbguts, um zu bestimmen, welche Methylierung welche Folgen mit sich bringt. Dabei kommt aber die Tatsache zu Hilfe, dass bei Menschen die DNA-Methylierung auf Cytosin-Guanin-Sequenzen beschränkt ist; somit können Vorhersagen über produktive/schädigende Methylierungen getroffen werden. Wissenschaftler des Max-Blank-Instituts haben sogar schon ein bestimmtes Muster im Bereich von Krebszellen festgestellt.

 

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