Epigenetik

Epigenetische Muster: Weitergabe und Reversibilität

Epigenetische Markierungen an DNA und Histonen steuern die Genaktivität, werden ohne Sequenzänderung an Tochterzellen weitergegeben und lassen sich wieder entfernen.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Epigenetik beschreibt vererbbare Veränderungen der Genaktivität ohne Änderung der Basensequenz.
  • Die DNA-Methylierung betrifft Cytosin in CpG-Stellen und legt Promotoren meist still.
  • Histon-Acetylierung lockert das Chromatin zu aktivem Euchromatin, Deacetylierung verdichtet es.
  • Nach der Replikation ergänzt DNMT1 hemimethylierte CpG-Stellen. Auch Histon-Modifikationen werden in beiden Tochterzellen identisch wiederhergestellt.
  • Epigenetische Veränderungen sind nicht alle irreversibel: Writer setzen Markierungen, Eraser wie HDAC und TET-Enzyme entfernen sie.

Worum es geht

Alle Körperzellen tragen dieselbe DNA. Trotzdem bleibt eine Leberzelle eine Leberzelle, weil chemische Markierungen festlegen, welche Gene abgelesen werden. Diese Markierungen sind auch Angriffspunkt von Arzneistoffen wie Azacitidin oder Vorinostat.

Begriff und Mechanismen

📖 Definition: Epigenetik

Die Epigenetik untersucht vererbbare Veränderungen der Genaktivität, die nicht auf einer Änderung der Basensequenz beruhen.

Darin liegt der Unterschied zur Mutation. Eine Mutation verändert den Text der DNA. Epigenetik setzt dagegen Lesezeichen in einen unveränderten Text.

Zwei Mechanismen stehen im Vordergrund. Bei der DNA-Methylierung hängen Enzyme eine Methylgruppe an Cytosin, meist in CpG-Dinukleotiden. Es entsteht 5-Methylcytosin. Methylierte Promotoren sind in der Regel stillgelegt.

Bei der Histon-Modifikation werden die Schwänze der Histone chemisch verändert. Acetylierung neutralisiert positive Ladungen der Lysine. Die DNA haftet dann lockerer an den Nucleosomen. Methylierung von Histonen wirkt je nach Position aktivierend oder hemmend.

Die Summe aller Markierungen einer Zelle heißt epigenetisches Muster. Es bestimmt den Chromatinzustand. Offenes Euchromatin ist zugänglich und aktiv, dichtes Heterochromatin bleibt stumm.

Gegenüberstellung von locker gepackten Nucleosomen mit Acetylgruppen und dicht gepackten Nucleosomen mit Methylgruppen an DNA und Histonen.

Euchromatin und Heterochromatin: Markierungen bestimmen die Zugänglichkeit der DNA.

Weitergabe an Tochterzellen

Epigenetische Muster werden bei der Zellteilung weitergegeben, obwohl sich die Basensequenz nicht ändert. Für die DNA-Methylierung klappt das über die Replikation. Sie ist semikonservativ. Jeder Tochterdoppelstrang besitzt also einen alten, methylierten Strang und einen neuen, unmethylierten. Solche CpG-Stellen nennt man hemimethyliert.

Das Enzym DNMT1 erkennt diese halbe Markierung und ergänzt die Methylgruppe am neuen Strang. Man spricht von Erhaltungsmethylierung. Am Ende tragen beide Doppelstränge dasselbe Muster.

Schema einer DNA-Doppelhelix mit methylierten CpG-Stellen, die sich in zwei hemimethylierte Stränge teilt; DNMT1 methyliert die neuen Stränge, sodass zwei gleich markierte Doppelstränge entstehen.

Erhaltungsmethylierung: DNMT1 ergänzt hemimethylierte CpG-Stellen nach der Replikation.

Auch Histon-Modifikationen lassen sich nach der Zellteilung in beiden Tochterzellen identisch wiederherstellen. Die alten, markierten Histone verteilen sich auf beide Tochterstränge. Enzyme lesen ihre Markierung und übertragen sie auf benachbarte neue Histone.

So entsteht ein epigenetisches Gedächtnis. Nach der Mitose wissen beide Tochterzellen, welcher Zelltyp sie sind.

Reversibilität

Epigenetische Veränderungen sind nicht alle irreversibel. Anders als eine Mutation lässt sich eine Markierung wieder abnehmen, denn die Basensequenz bleibt unberührt.

Drei Gruppen von Proteinen teilen sich die Arbeit:

  • Writer setzen Markierungen, etwa DNA-Methyltransferasen (DNMT) und Histon-Acetyltransferasen (HAT).
  • Reader erkennen Markierungen und vermitteln ihre Wirkung.
  • Eraser entfernen sie wieder, etwa Histon-Deacetylasen (HDAC) und TET-Enzyme, die die DNA-Demethylierung einleiten.

Nucleosom mit Pfeilen: DNMT und HAT setzen Markierungen, TET-Enzyme und HDAC entfernen sie, ein Reader-Protein bindet an eine Markierung.

Writer setzen, Reader erkennen, Eraser entfernen epigenetische Markierungen.

Diese Umkehrbarkeit nutzt die Therapie. Azacitidin hemmt DNMT und kann stillgelegte Tumorsuppressorgene reaktivieren. Vorinostat hemmt HDAC.

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Aussage 1

Histon-Modifikationen können nach einer Zellteilung in beiden Tochterzellen identisch wiederhergestellt werden.

Alte markierte Histone verteilen sich auf beide Tochterstränge, und Enzyme übertragen die Markierung auf neue Histone.

Aussage 2

Histon-Deacetylasen und TET-Enzyme können epigenetische Markierungen wieder entfernen.

Sie gehören zu den Erasern. Das zeigt, dass epigenetische Veränderungen nicht alle irreversibel sind.

Aussage 3

Damit ein epigenetisches Muster an Tochterzellen weitergegeben wird, muss sich die Basensequenz der DNA ändern.

Epigenetische Muster werden ohne Änderung der Basensequenz weitergegeben, etwa durch die Erhaltungsmethylierung über DNMT1.

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