Wir können unsere Gene steuern! Wir können unsere Gene steuern! - eBook-Ausgabe

Vorwort

Vom Beginn seines Lebens an wird der Mensch von seiner Umwelt geprägt. Sein Körper wie sein Geist werden durch seine Interaktionen mit der Natur, seinem Lebensumfeld und seinen Mitmenschen verändert und geformt. Die Erfahrungen, die ein Mensch während seines Lebens macht, sind für ihn unentbehrlich und ein wertvolles Rüstzeug, das ihm zu einer Identität und zu Wissen verhilft und es ihm ermöglicht, sich anzupassen und sich zu entwickeln. Doch nicht alle Erfahrungen, die wir im Leben machen, sind positiv und eine Bereicherung. Nicht alle sind geeignet, an ihnen festzuhalten. Eine ausreichende Ernährung ist zum Beispiel gut für den Körper, ein unnötiges Übermaß kann hingegen auf lange Sicht schädlich wirken. Tiefe emotionale und soziale Bindungen sind für die psychische Gesundheit und das Wohlbefinden unentbehrlich, doch sie können zu Stress, Abhängigkeiten und sogar Traumatisierungen führen, wenn sie unausgeglichen sind und missbraucht werden.

Ob positiv oder negativ, unsere prägenden Lebenserfahrungen können sich in unserem Körper und unserem Geist festsetzen. Aber darüber hinaus können sie sich auf unsere Kinder und sogar unsere Enkel auswirken. Nicht allein durch Worte, durch Lernen oder durch kulturelle Übertragung, sondern durch Biologie: durch das biologische Erbe, das wir in unseren Keimzellen übertragen. Der Gedanke erscheint merkwürdig, übertrieben, absurd. Er steht im Gegensatz zur klassischen Vorstellung, dass allein das Angeborene, die Familieneigenschaften, übertragen werden können. Dass wir Großvaters blaue Augen oder sein gutes Erinnerungsvermögen erben, erscheint natürlich, weniger aber, dass wir seine Labilität erben, die seiner unglücklichen Kindheit geschuldet ist.

Nichtsdestotrotz wissen wir seit Langem, dass auch
erworbene Eigenschaften vererbt werden, beim Menschen, aber auch bei den Tieren und Pflanzen. De Lamarck, Darwin und andere Gelehrte hatten es beschrieben, und vor ihnen die Bibel. Ein Rätsel blieb jedoch, auf welche Weise dies möglich ist, wie sich Lebenserfahrungen in unsere Zellen einprägen und schließlich weitergegeben werden können. Die Biologie der erworbenen Eigenschaften zu begreifen ist damit eine absolute Notwendigkeit, um zu verstehen, wer wir sind.

Doch im Gegensatz zu den Mechanismen der Übertragung angeborener Eigenschaften, die relativ gut verstanden sind und in den Bereich der Genetik fallen, wissen wir weniger darüber, wie erworbene Eigenschaften weitergegeben werden. Mein Züricher Forschungsteam interessiert sich seit zwanzig Jahren für diese Frage und erforscht sie aus einem epigenetischen Blickwinkel. In anderen Worten: Mein Team untersucht die biologischen Mechanismen, die es den Zellen und dem Organismus ermöglichen, ihre Merkmale auf dauerhafte Weise den Umweltbedingungen entsprechend zu verändern, indem sie die erworbenen Eigenschaften modifizieren, ohne die angeborenen zu verändern. Dieser Ansatz stellt die klassische Sichtweise der Genetik infrage, der zufolge wir allein durch unsere Gene bestimmt werden. In Wirklichkeit beinhaltet der biologische Personalausweis eines Lebewesens nicht nur das Genom, sondern umfasst auch das Epigenom, das genauso unentbehrlich ist. Nach der Entdeckung der Gene Anfang des 20. Jahrhunderts und der DNA in den 1950er-Jahren wurde das Epigenom lange vernachlässigt. Doch die rein genetische Betrachtungsweise dieser Jahrzehnte wurde erschüttert, als die Sequenzierung des menschlichen Genoms Anfang der 2000er-Jahre zu der unerwarteten Feststellung führte, dass der DNA-Code nicht alles ist. Dieser Code bildet nur den „rohen“ Teil der Information, wie die Buchstaben eines Buches ohne Leser, und bedarf des Epigenoms, um gelesen, interpretiert und verstanden zu werden.

Seitdem haben sich Forscher an die Arbeit gemacht, den epigenetischen Code zu entschlüsseln. Ganz wie im Falle des Genoms entwickelten zahlreiche amerikanische und europäische Forschungslabore Analysemethoden, mussten aber eine zusätzliche Hürde nehmen: Das Epigenom ist weitaus komplexer als das Genom. Während die DNA eine einfache Aneinanderreihung von vier Basenpaaren ist, die eine Doppelhelix bilden, besteht das Epigenom aus einer Vielzahl von Faktoren und Markern auf der DNA und um die DNA herum, die sich zu einem komplexen Code zusammenfügen. Dieser unterscheidet sich je nach Zelle entsprechend ihrem physiologischen Zustand, ihrer Aktivität und ihres Alters. Kurz, es handelt sich um ein ungeheures unbekanntes Universum.

Die Erforschung des Epigenoms begann mit der Geburt des Gebiets der Epigenetik in den 1940er-Jahren, das seinen wirklichen Aufschwung aber erst in den 2000er-Jahren erlebte. Die Epigenetik hat seither enorme neue Erkenntnisse geschaffen und zahlreiche andere Gebiete der Lebenswissenschaften beeinflusst und verändert, wie die Zell- und die Molekularbiologie, die Biochemie, aber auch die Bioinformatik. Ihre Anwendungen sind zahllos und haben bereits zu beträchtlichen Fortschritten für das Verständnis der Biologie geführt. Vor allem ermöglichen sie es, dass wir bestimmte Krankheiten besser zu verstehen beginnen und therapeutische Ansätze verbessern können, zum Beispiel in der Krebsmedizin, der Immunologie, der Kardiologie und jüngst auch in der Psychiatrie. Die Epigenetik hat auch große Auswirkungen auf die Psychologie, die Soziologie, die Umweltwissenschaften und die Ethik, denn sie verändert unsere Denkweise in Bezug auf unseren Lebensstil, das Gewicht der Vergangenheit und unseren prägenden Einfluss auf unsere Nachkommen.

Um zu verstehen, wie das Epigenom durch unsere Lebenserfahrungen modifiziert wird und wie es unseren Körper und unser Gehirn sowie Körper und Gehirn zukünftiger Generationen beeinflusst, stützen wir uns auf einen empirischen Ansatz, der auf Experimenten mit Labormäusen beruht. Wir arbeiten mit ihnen, weil sie sich besonders gut als Modellorganismen eignen, um unter kontrollierten und quantifizierbaren Bedingungen zu arbeiten und zu Resultaten zu gelangen, die so weit wie überhaupt möglich auf den Menschen übertragbar sind. Wir setzen sie Bedingungen aus, die menschliche Lebenssituationen reproduzieren, wie zum Beispiel Traumatisierungen in der Kindheit, um die Konsequenzen für das Verhalten sowie das Funktionieren der Organe und der Zellen bei ihren Nachkommen zu bestimmen. Unsere Versuchstiere ermöglichen uns beträchtliche Fortschritte, die ohne sie undenkbar wären. Wir respektieren unsere Tiere, mögen sie gern und arbeiten mit ihnen unter äußerst sorgsamer Beachtung ethischer Regeln.

Die Epigenetik ist eine Wissenschaft der Zukunft, die unser Verständnis der Lebewesen, ihrer Entwicklung, ihres Funktionierens, ihrer Alterung und ihrer Krankheiten revolutionieren wird. Sie muss dringend zu einem integralen Bestandteil des Bildes werden, das wir uns vom Menschen und seinen Interaktionen mit seinem Umfeld und der Umwelt machen. Es bedarf eines radikalen Wandels in der medizinischen und sozialen Bildung, um vom genetischen Determinismus wegzukommen und endlich den äußeren Faktoren und ihren Konsequenzen auf den Organismus heute, morgen und in der Zukunft Rechnung zu tragen. Junkfood, Traumatisierungen, endokrine Disruptoren, also hormonaktive Substanzen, wie sie unter anderem in Pestiziden vorkommen – all dies sind Faktoren, die Spuren in unserem biologischen Erbe hinterlassen, die manchmal unauslöschlich sind. Können wir ihnen vorbeugen? Ihre schädlichen Auswirkungen korrigieren? Sind wir unabänderlich durch die Erlebnisse unserer Vorfahren bestimmt? Lässt sich das Epigenom manipulieren? So viele Fragen, die beunruhigen können und einer dringenden Antwort bedürfen.

Der derzeitige Wissensstand gibt bereits einige Hinweise: Das Epigenom ist dynamisch und reversibel, es kann also durch die Lebensweise, die Ernährung, körperliche Betätigung und Ansätze wie die Psychotherapie modifiziert werden. Wir wissen hingegen noch nicht, in welchem Umfang und in welcher Geschwindigkeit das möglich ist und welche Resultate sich im Einzelnen bei der Behandlung von Erkrankungen erzielen lassen. Groß angelegte Kohortenstudien – zum Beispiel mit Nachkommen der Opfer von Hungersnöten, familiärer Traumatisierungen oder Kriegen – sind unentbehrlich, aus praktischen, geografischen, moralischen und finanziellen Gründen jedoch schwer umzusetzen. Solche Studien zum Menschen müssen zudem durch parallele Analysen mit Labortieren begleitet werden, um die beteiligten Mechanismen zu untersuchen, was ebenfalls einen immensen Aufwand und enorme Mittel erfordert.

Doch gibt dies große Hoffnung, dass es in naher Zukunft möglich sein wird, den Zustand des Epigenoms bestimmen zu können, dessen Dysfunktionen zu identifizieren und in Verbindung zu Krankheiten zu bringen, denen sich dann vielleicht vorbeugen ließe oder die geheilt werden könnten. Ohne Zweifel eröffnet dies neue Gedanken- und Betätigungsfelder für die Medizin und die Sozialwissenschaften und erfordert wegweisende politische Entscheidungen, um unsere Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen voll und ganz wahrzunehmen.

 Isabelle M. Mansuy, im Februar 2020

Einleitung: Wir sind mehr als unsere Gene!

Jeder von uns besitzt individuelle Eigenschaften, die er oder sie aufgrund der einerseits von der Mutter, andererseits vom Vater geerbten Gene hat und die bestimmen, wer wir sind. Zwischen Eltern und Kindern gibt es deswegen manchmal frappierende Ähnlichkeiten: Eine Mutter und ihr Kind können die gleichen Augen haben, die gleiche Nase, das gleiche Lächeln, ja sogar die gleiche Gestalt und Größe. Was aber macht ein Individuum aus? Was bestimmt, ob es blaue Augen oder braune Haare haben wird? Was entscheidet, ob es eher groß oder klein, schlank oder beleibt sein wird? Ob stressanfällig oder völlig entspannt? Ob krankheitsempfindlich oder von unverwüstlicher Gesundheit? Sein Genom natürlich, sein genetischer Personalausweis sozusagen.

Dies ist aber noch nicht die ganze Wahrheit. Der genetische Code allein erklärt weder unsere körperlichen Eigenschaften noch unsere Charakterzüge. Warum? Weil wir in Wirklichkeit viel mehr sind als nur unser genetischer Code. Wir sind auch unser „epigenetischer“ Code.

Anders als man lange Zeit glaubte, sind es nicht allein die Gene, die unsere Eigenschaften bestimmen: Auch die epigenetischen Faktoren fallen ins Gewicht. Tatsächlich ist jeder von uns stark von dem beeinflusst, was uns umgibt, unserer „Umwelt“, also den Erfahrungen, die wir machen, der Nahrung, die wir aufnehmen, der Luft, die wir atmen, den Gefühlen, die wir empfinden. Die Gesamtheit dieser Umweltfaktoren – das „Exposom“, wie man sagt – hat eine wesentliche Auswirkung auf unser Verhalten, unsere Körperfunktionen, unsere Krankheitsanfälligkeit, ja sogar darauf, wie lange wir leben. Wir sind zwar unsere Gene, aber wir sind auch das Ergebnis der Einflüsse unserer Umwelt. Und hier kommen die epigenetischen Faktoren ins Spiel, die unser Genom modellieren.

Dies ist der Grund, warum eineiige Zwillinge – die aus ein und derselben Eizelle hervorgegangen sind und deshalb genau die gleichen Gene, das gleiche Genom haben – sich körperlich, charakterlich und in ihrem Gefühlsleben unterscheiden können; sodass zum Beispiel der eine Zwilling von normaler Statur, der andere übergewichtig sein kann; der eine von völlig ausgeglichenem Charakter, während der andere eine Depression oder Schizophrenie entwickelt; der eine ein begnadeter Redner sein mag, während sein Zwilling vor Publikum kein Wort herausbringt … Was erklärt den Unterschied zwischen diesen zwei Personen, die doch genetisch betrachtet alles mit sich bringen, um einander völlig zu gleichen?

Es ist die Umwelt, in der sie aufwachsen und in die sie eintauchen. Sie sind verschieden, weil es – selbst wenn sie einander sehr nah sind – schwer möglich ist, dass jeder Zwilling exakt die gleichen Dinge im selben Moment tut, die gleichen Beziehungen zu anderen aufbaut, dieselben Erfahrungen macht und die gleichen Gefühle empfindet. Ebendies sind die Faktoren, die ihre Verschiedenheit in physiologischer Hinsicht, in ihrem Verhalten und auch in ihren sozialen Beziehungen erklären.

Doch der Einfluss der Umwelt hört hier nicht auf. Er lässt sich weiter zurückverfolgen, was uns zu der Erkenntnis führt, dass wir auch das Ergebnis der Umwelt unserer Vorfahren sind. Die Umweltfaktoren können nicht nur Einfluss auf unseren eigenen Organismus haben, sondern mit einiger Wahrscheinlichkeit auch auf die Organismen unserer Nachkommen. Dieser Einfluss wirkt sich nicht direkt auf das Genom selbst aus, sondern über den Umweg der epigenetischen Faktoren, die – ganz wie unsere Gene – auf unsere Kinder übertragen werden. Im Klartext: Was Ihr Vater oder sogar Ihr Großvater gegessen hat, kann eine Auswirkung auf Ihren heutigen Gesundheitszustand haben. Ganz wie die Giftstoffe, denen Ihre Mutter ausgesetzt war, oder auch die Traumata, die Ihre Großeltern durchlebten.

Soll das heißen, wir können daran nichts ändern? Nein, ganz im Gegenteil! Wenn wir nicht komplett durch unsere Gene bestimmt sind, heißt das, dass es einen Teil von uns gibt, der sich modifizieren und korrigieren lässt. Im Gegensatz zum Gencode, der unveränderlich und nicht manipulierbar ist, ist das Epigenom in der Tat dynamisch, wandelbar und korrigierbar. Wenn wir uns darüber im Klaren sind, können wir unser Verhalten und unsere Umwelt bewusst so gestalten, dass von ihnen positive Wirkungen auf das Epigenom ausgehen. Wir müssen nur die Entscheidung dazu treffen.

Das Genom ist kein unabwendbares Schicksal, und das ist eine wunderbare Nachricht. Die Epigenetik stößt diese bislang gut etablierte Überzeugung um, eröffnet faszinierende Möglichkeiten und gibt neuen Hoffnungen Nahrung. Noch aufregender ist die Aussicht, dass sie Antworten auf zahlreiche Rätsel geben könnte, welche die klassische Genetik aus dem Konzept bringen: Warum wird ein eineiiger Zwilling gewalttätig oder bekommt Diabetes, der andere aber nicht? Wieso sind bestimmte Krankheiten wie etwa Depression von dem Milieu abhängig, in dem wir leben? Warum leiden die Kinder von Eltern, die misshandelt wurden oder durch Krieg oder Naturkatastrophen traumatisiert wurden, häufiger unter psychischen Problemen als andere?

Die Epigenetik ermöglicht ein besseres Verständnis davon, welche konkreten Auswirkungen unsere Umwelt und unser individuelles wie kollektives Verhalten auf unsere Gesundheit haben; eine genauere Bestimmung der Ursachen von so unterschiedlichen Erkrankungen wie psychischen Problemen und Krebs. Insbesondere wird die Epigenetik zur Entwicklung einer Präventivmedizin führen sowie besser abgestimmter und wirksamerer Therapien, die uns schon in naher Zukunft zur Verfügung stehen werden.

Erster Teil
Das Genom ist kein unabwendbares Schicksal

Eine sehr lange Zeit waren die Wissenschaftler der festen Überzeugung, dass allein die DNA unser biologisches Schicksal entscheide, dass wir einfach das Ergebnis eines starren, unverändert von einer Generation zur nächsten weitergegebenen genetischen Codes seien, der kaum von äußeren Gegebenheiten oder Lebensereignissen beeinflusst werde. Diese Sichtweise entspricht einem genetischen Determinismus, dem zufolge alles in unseren Genen steckt. Aber die Fortschritte der Forschung der vergangenen Jahrzehnte zeigen eindeutig, dass das genetische Material weitaus komplexer ist als der bloße Gencode und es deutlich mehr Informationen umfasst als jene, die in den Genen festgeschrieben sind. Dies beschreibt den Unterschied, der zwischen der Genetik (dem genetischen Code) und der Epigenetik besteht (dem, was es darüber hinaus gibt, epi bedeutet „darüber“, „darauf“). Diese Einsicht erweiterte das Gebiet der Biologie und lieferte einen neuen konzeptionellen Rahmen, der das zentrale Dogma der Genetik infrage stellte, das mehr als ein Jahrhundert vorgeherrscht hatte.

Wie lässt sich etwa erklären, dass alle Zellen dieselbe genetische Information tragen, denselben Code, es aber Hunderte unterschiedlicher Zelltypen gibt, mit jeweils eigenen Merkmalen und eigenen Funktionen? Eine Hautzelle, eine Darmzelle oder eine Nervenzelle enthalten alle dieselbe DNA. Wie gelingt es ihnen also, sich zu differenzieren und aus sich heraus jene Proteine zu bilden, die für ihre jeweilige Funktion erforderlich sind?

Die britische Genetikerin Denise Barlow (1950–2017) fasste dies in die Worte: „Die Epigenetik ist die Gesamtheit der bizarren und wundersamen Dinge, welche die Genetik nicht zu erklären vermag.“ Alice Bomboy und Edith Heard schrieben: „Intuitiv erscheint es offensichtlich, dass es einen Datensatz gibt, der zu der von den Genen gelieferten Information hinzutritt: Er erlaubt die Diversifikation der genetischen Möglichkeiten innerhalb der unterschiedlichen Zelltypen und wird auf stabile Weise über die Zellgenerationen hinweg übertragen, um Organe und funktionelles Gewebe während ihrer Entwicklung zu steuern.“[i] Dieser hinzutretende Datensatz ist die Epigenetik. Die Organismen sind nicht allein durch ihre DNA codiert, sie sind auch dadurch geprägt, auf welche Weise die DNA zum Einsatz kommt, wie sie gelesen und exprimiert wird. Die Regulation der Genexpression ist der Schlüsselmechanismus, der uns verstehen lässt, was Epigenetik ist. Und das Verständnis der Epigenetik ist ein unabdingbarer Schritt, um Antworten auf die wesentlichen Fragen zu unserer Herkunft und zur Vererbung erworbener Eigenschaften geben zu können.

Die Epigenetik: Ein Genom, vielfältige Möglichkeiten

Die klassische Vorstellung von der biologischen Übertragung von Eigenschaften eines Elternteils auf seine Nachkommen bezieht sich auf die genetischen Faktoren. Nach diesem Konzept ist jeder Mensch das Ergebnis seines Genmaterials. Er ist einfach das Resultat Proteine codierender Sequenzen. Dieser Code trägt eine unveränderliche Information, die sich in dieser Form von Generation zu Generation weitervererbt. Das genetische Material allein bestimmt also, wer wir sind, unabhängig von unserer Lebensweise oder der unserer Vorfahren. Doch zahlreiche ältere und jüngere Studien stellen dieses zentrale Dogma der Genetik infrage.

Inzwischen ist es eine wissenschaftlich anerkannte Tatsache, dass die nicht genetischen Faktoren – also die durch die Umwelt veränderlichen Faktoren, welche die Genaktivität steuern, ohne die DNA-Sequenz zu verändern – mitbestimmen, wer wir sind. Bereits in der pränatalen Phase und während des gesamten Lebens wird die Genexpression im weiteren Sinne von der Umwelt beeinflusst. Dieser unablässige Einfluss hat Auswirkungen auf die Entwicklung und das Verhalten des Individuums.

Entgegen der überkommenen Vorstellung bilden das Genom und das Epigenom keinen Gegensatz, sondern stehen in ständiger und vitaler Interdependenz zueinander, wie für den Musiker die Partitur und die Interpretation. Das eine funktioniert nicht ohne das andere, und beides ist gleichermaßen fundamental. Ohne diese Komplementarität gibt es kein Lebewesen und keine Musik. Die ständigen Interaktionen zwischen Genom und Epigenom stehen in Verbindung mit dem Exposom (der Gesamtheit der umweltbedingten „äußeren“ und „inneren“ Einflüsse, denen ein Mensch während seines gesamten Lebens ausgesetzt ist) und bestimmen das physiologische Gleichgewicht des Organismus.

Über die Ursprünge der Epigenetik

Wenn die Definition des Worts „Epigenetik“ mehrere Facetten hat und von verschiedenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unterschiedlich gefasst wird, liegt das zum Teil an den verschiedenen Bedeutungen des Begriffs im Laufe seiner Geschichte. „Diese Mehrdeutigkeiten gehen darauf zurück, dass der Begriff in der Geschichte der Biologie in mehreren Anläufen eingeführt wurde, jedes Mal mit einem anderen Sinn“, erklärt Michel Morange, Biologie-Professor an der renommierten École normale supérieure (ENS) in Paris und Wissenschaftshistoriker, in einem Interview mit der Zeitung Le Monde.[ii]

Eine Wurzel des Worts „Epigenetik“ liegt in dem sehr alten Begriff „Epigenese“, welcher sogar der Entdeckung der Genetik um Jahrhunderte vorausgeht. Er wurde von Aristoteles, dem berühmten Philosophen der griechischen Antike, im 4. Jahrhundert vor Christus eingeführt. Durch die Beobachtung von Hühnerembryos erkannte Aristoteles, dass sich im Laufe der embryonalen Entwicklung die Formen fortschreitend herausbilden. Der Embryo ist also kein Wesen, das als eine Miniaturversion entsteht, in der alle Organe von Beginn an vorhanden sind, sondern ein sich entwickelnder Organismus, der immer komplexer wird bis hin zu seiner vollständigen Reifung.

Diese Theorie stand damit der Präformationslehre entgegen, der Vorstellung der Entstehung des Embryos als Miniaturwesen, die bis zum Ende des 18. Jahrhunderts vorherrschte. Um sich davon zu distanzieren, verwendete Aristoteles in seiner Schrift Über die Entstehung der Tiere den Begriff „Epigenese“, gebildet aus epi für „darüber“, „darauf“ und genesis für „Entstehung“. Aristoteles war also der Allererste, der die Idee propagierte, dass die embryonale Entwicklung durch eine Abfolge von Interaktionen ausgelöst wird, die einen Einfluss auf den Organismus haben. Diese Theorie wurde ab dem 17. und 18. Jahrhundert von verschiedenen Naturwissenschaftlern wieder aufgegriffen, insbesondere von dem Anatomieprofessor und Chirurgen William Harvey, dem Embryologen Caspar Friedrich Wolff und später dem Philosophen und Biologen Hans Driesch.

Jean-Baptiste de Lamarck und die Vererbung erworbener Eigenschaften

Der französische Naturforscher Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829) war einer der Ersten, die die Idee äußerten, dass die Umwelt eine vorteilhafte Veränderung der Eigenschaften eines Individuums auslösen könne, die auf seine Nachkommenschaft übertragen werde. Die „Vererbung erworbener Eigenschaften“ (oder Adaptionstheorie) gehöre zum Ursprung der Evolution der Spezies.

In diesem Punkt vertrat Lamarck also einen anderen Standpunkt als Charles Darwin, für den sich die Anpassung der Lebewesen an ihre Lebensbedingungen auf dem Wege der natürlichen Selektion durch zufällige Prozesse vollzog (nur die am besten an die Umwelt Angepassten überleben). Für Lamarck hingegen wies der Evolutionsprozess eine Tendenz zu einem natürlichen Zuwachs an Komplexität der Lebewesen auf.

Er war es übrigens, der das Wort „Biologie“ erfunden hat: „Alles, was im Allgemeinen Pflanzen und Tieren gemein ist, wie alle Fähigkeiten, die jedes dieser Wesen ohne Ausnahme besitzt, müssen ein einzigartiges und weites Gebiet einer eigenen Wissenschaft bilden, die noch nicht begründet ist, die noch nicht einmal einen Namen besitzt und welcher ich den Namen der Biologie geben werde.“[iii]

 Doch erst Anfang der 1940er-Jahre trat der Begriff „Epigenetik“ wirklich in Erscheinung, und zwar durch die Feder des Entwicklungsbiologen, Paläontologen, Philosophen und Genetikers Conrad Waddington, der von den Arbeiten Jean-Baptiste de Lamarcks inspiriert war.[iv] Nach Waddington musste eine Erklärung für den Entwicklungsprozess gefunden werden, die zwischen dem Genotyp, der Gesamtheit der Gene eines Individuums, und dem Phänotyp, der Gesamtheit der bei einem Individuum in Erscheinung tretenden Eigenschaften, eine kausale Verbindung herstellte. Er zielte auf eine Versöhnung zwischen den Forschungen der Genetiker, die Mendel folgend die Funktion der Gene erkundeten, und den Arbeiten der Embryologen, die der Entwicklungstheorie folgend erforschten, wie aus einer befruchteten Eizelle durch fortschreitende Ausbildung der Formen ein komplexer Organismus entsteht. Hiervon ausgehend schlug Waddington vor, die Begriffe „Epigenese“ und „Genetik“ zu fusionieren, um die „Epigenetik“ zu schaffen, deren Forschungsgebiet die Gesamtheit der Mechanismen umfasst, durch welche die Gene die Eigenschaften bestimmen. Epigenetik und Epigenese sind also voneinander abzugrenzende Begriffe, die nicht durcheinandergeworfen werden sollten.

Waddington versuchte zu erhellen, was bislang als Rätsel galt: Wie konnte sich aus einer einzigen Zelle eine so hohe Anzahl und eine derart große Diversität von Zellen des Embryos ergeben? Die naturwissenschaftlichen Fortschritte hatten gezeigt, dass alle unsere Zellen dasselbe Genom besitzen, ganz gleich, ob es sich um Zellen der Haut, des Magens, des Auges, der Leber, des Gehirns oder des Bluts handelt. Das war insofern logisch, als sie alle von ein und derselben Mutterzelle abstammen, der befruchteten Eizelle. Aber dennoch sind alle unsere Zellen unterschiedlich! Sie weisen ihre eigenen Charakteristika auf und verhalten sich jeweils auf ihre eigene Weise: Eine Leberzelle besitzt natürlich ein spezifisches Erscheinungsbild und Aufgaben, die sich strikt von denen einer Lungenzelle unterscheiden. Das zeigt, dass sie ihre gemeinsame Basis, das Genom, auf je unterschiedliche Weise verwenden, was es ermöglicht zu erklären, warum aus einer einzigen Mutterzelle ein solches Spektrum unterschiedlicher Zellen hervorgeht. Aber wie vollzog sich der Übergang vom Genotyp zum Phänotyp? Welche genaue Rolle spielten die Gene?

Damals war der Träger des Erbguts, die DNA, noch nicht entdeckt, doch Conrad Waddington stellte trotzdem die Hypothese auf, dass sich bei der Entwicklung des Embryos wechselnde Netzwerke interagierender Gene einschalteten. Diesbezüglich war er ein wahrer Pionier. Er führte auch zahlreiche Experimente durch, um zu erforschen und zu verstehen, welche Konsequenzen Veränderungen der Umwelt oder der Gene auf die Entwicklung haben.

Die Zelle ist wie eine Murmel,
die einen Berg hinunterrollt …

Seine Theorie illustrierte Conrad Waddington mit dem Bild eines Bergs mit mehreren Tälern, auf dessen Spitze er eine Murmel positionierte. Ließe man die Murmel rollen, habe sie die Wahl, den einen oder den anderen der zahlreichen Wege zu benutzen. Es sind die Wege, die bestimmen, was aus ihr wird. Oben, auf dem Berggipfel, waren die Möglichkeiten breit gefächert. Der eingeschlagene Weg würde ihr Schicksal prägen.

In derselben Weise ist die Zukunft und Identität jeder unserer Zellen (Leber-, Herz-, Haut-, Hirnzelle) nicht allein der DNA eingeschrieben; unsere Zellen wählen einen bestimmten Weg und wenden fein geregelte Mechanismen an, um sich zu differenzieren und ihre Identität in Erinnerung zu behalten.

Wir wissen heute jedoch, dass die Zellidentität nicht unumkehrbar festgelegt ist, sondern dass Zellen reprogrammiert werden können. So zeigte der japanische Biologe Shinya Yamanaka im Jahr 2006, dass eine differenzierte Zelle wieder zu einer nicht differenzierten Stammzelle werden
und alle ihre Eigenschaften verlieren kann, wenn sie vier bestimmten Faktoren ausgesetzt ist. Man bezeichnet sie dann als „induzierte pluripotente Stammzelle“.

Anfang der 1960er-Jahre, als die DNA also seit knapp zehn Jahren entdeckt war, wurde ein weiterer Meilenstein erreicht. Der französische Biologe Jacques Monod (1910–1976) wies die Existenz eines Moleküls nach, das die Verbindung zwischen der DNA und den Proteinen bildet: die Boten-RNA oder mRNA. Gemeinsam mit François Jacob und André Lwoff entdeckte er, dass die DNA der Ausgangspunkt biochemischer Reaktionen war, welche die für das Leben einer Zelle nötigen Proteine produzierten, und dass sich diese Reaktionen durch die Vermittlung der RNA vollzogen. Dieses Modell machte die unterschiedliche Expression der Gene im Laufe der Entwicklung erklärbar. Die drei Forscher waren auch die Ersten, die die Rolle aufzeigten, die ein Umweltfaktor – in diesem Falle die Laktose, der Milchzucker – bei der Steuerung der Genexpression und der Bestimmung der Eigenschaften bei dem Bakterium Escherichia coli spielt. Im Jahr 1965 wurden sie für diese Arbeiten mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet.

In den 1970er-Jahren geriet das Konzept der Epigenetik jedoch in Vergessenheit. Das lag zu einem wesentlichen Teil am Vorherrschen genetischer Theorien, die den Fokus allein auf das Genom richteten. Doch dank eines starken Anstiegs von Forschungsarbeiten zur Epigenetik, an denen insbesondere der britische Molekularbiologe Robin Holliday (1932–2014) beteiligt war, gewann das Konzept in den 1980er-Jahren wieder an Bedeutung. Holliday beobachtete damals an Zellkulturen, dass sich Veränderungen von Eigenschaften übertragen können. Es handelte sich um zahlreiche, sich rasch vollziehende Veränderungen, die bei allen Zellen die gleichen waren, also nicht von Mutationen der DNA herrühren konnten. Seine Beobachtungen bestätigten, dass bestimmte Veränderungen nicht in Zusammenhang mit Änderungen der DNA-Sequenz stehen, und legten damit nahe, dass die DNA auf andere Weise als durch Änderungen ihres Codes modifiziert wird.

Holliday vermutete, dass es sich bei einer dieser Modifikationen um die DNA-Methylierung handelt. Dabei wird einem DNA-Teilstück eine Methylgruppe
hinzugefügt, was wir noch näher erklären werden
(siehe Seite 81). Diese Modifikation der DNA ist heute als einer der Basismechanismen der Epigenetik bekannt, der im Zusammenspiel mit weiteren, später entdeckten das Genom reguliert. Damit war das Gebiet der Epigenetik definiert: als Gesamtheit der übertragbaren und reversiblen Veränderungen der Genexpression, die keine Änderungen von DNA oder RNA einschließen.

[i]      A. Bomboy/E. Heard, „Épigénétique, comment se joue la partition du génome“, Science et Santé, 11./12.2012.

[ii]     F. Rosier, „L’épigénétique, l’hérédité au-delà de l’ADN“, Le Monde Sciences et Techno, 13. April 2012.

[iii]    J.-B. de Lamarck, Histoire naturelle des animaux sans vertèbres (1815), Cambridge University Press, 2013.

[iv]    C. H. Waddington, „Canalization of Development and the Inheritance of Acquired Characters“, Nature, Nr. 150, 14. November 1942, S. 563–565.