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Epigenetik : Und es vererbt sich doch

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Lässt sich eine epigenetische Vererbung nur bei Fruchtfliegen nachweisen? Hier ist die Art Drosophila suzukii auf einem Weinberg in Bensheim zu sehen. Bild: dpa

Neue Experimente zeigen, dass Tiere epigenetisch gespeicherte Umweltanpassungen vererben. Gilt ähnliches auch für den Menschen, werden wir alle umdenken müssen.

          Sie gehört zu den umstrittensten Behauptungen der Biologie: die Aussage, dass Tiere mehr vererben als ihre Gene, dass sie also zusammen mit ihren Ei- und Samenzellen auch solche Umweltanpassungen an folgende Generationen weitergeben, die sie im Laufe des Lebens erworben haben. Übertragen auf uns Menschen, würde das zum Beispiel bedeuten, dass die Art, wie wir uns ernähren, oder die Menge an psychischen Belastungen, die wir aushalten mussten, dazu beitragen, was und wie viel unsere Kinder und womöglich sogar unsere Enkel zeitlebens essen und wie anfällig sie für Stresskrankheiten sind.

          Zwar gibt es zunehmend Studien, die zumindest bei Tieren die Existenz einer solchen außergenetischen Vererbung nahelegen, vielen Kritikern fehlen aber noch immer handfeste Belege. Das könnte sich jetzt ändern. Gleich drei neue Arbeiten dürften den Streit endgültig entscheiden.

          Erste Hinweise, dass Tiere erworbene Umweltanpassungen vererben

          Schon im Jahr 1998 sorgten die Epigenetiker Renato Paro und Giacomo Cavalli durch Experimente mit der Fruchtfliege Drosophila für Aufsehen: Sie zeigten, dass die Augenfarbe der Insekten über viele Generationen weitervererbt wurde, obwohl diese nicht im Gentext kodiert, sondern epigenetisch verursacht war. Das war einer der ersten Hinweise, dass Tiere erworbene Umweltanpassungen über die Keimbahn an ihre Nachkommen vererben, dass bei ihnen also eine transgenerationelle – Generationen überschreitende – epigenetische Vererbung existiert.

          Allerdings monieren viele Genetiker bis heute die ihrer Meinung nach zu weitreichenden Schlussfolgerungen aus solchen Resultaten. Der beobachtete Effekt sei weder sehr stabil, noch habe man den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus aufgeklärt. An diesem Urteil änderte sich auch nichts, als immer neue Studien zumeist an Nagetieren hinzukamen, die ebenfalls eine Vererbung von Umweltanpassungen postulierten. Meist werden dabei männliche Mäuse oder Ratten zu viel und zu fettreich ernährt, vergiftet, süchtig gemacht oder traumatisiert. Folgen dieser Einflüsse zeigen sich teils sogar noch zwei bis vier Generationen später.

          Suchtverhalten wird bei Ratten vererbt

          Die Experimente indes, die jetzt das Team um Lan Ma von der Fudan University in Schanghai vorstellte, machen es den konservativen Genetikern schwer: Männliche Ratten, die besonders leicht kokainabhängig werden, also eine geringe Resilienz gegenüber Suchterkrankungen haben, vererben diese Eigenschaft an ihre Kinder und sogar an ihre Enkel. Die Forscher schlossen aus, dass für die Weitergabe Genvarianten verantwortlich waren.

          Maßgeblich für die hohe Suchtanfälligkeit der Väter, Kinder und Enkel schienen epigenetische Schalter und Dimmer zu sein, die an und neben den Genen involvierter Zellen sitzen und bestimmen, wie gut diese ihre Gene aktivieren können. Das ermittelten die Forscher, indem sie die Regulation der Gene in jenem Areal des Gehirns untersuchten, das auch bei uns Menschen das Suchtverhalten steuert. Im Nucleus Accumbens war bei den anfälligen Ratten ein anderes Muster an Genen aktiv als bei einer zweiten Gruppe von Tieren, die trotz Kokainkonsum nicht abhängig wurden.

          Befunde widerlegen ein altes Dogma

          Im nächsten Schritt schauten sich die Chinesen die Spermien der Nager und ihrer Söhne an. Und dort entdeckten sie systematische Veränderungen bei einer wichtigen epigenetischen Markierung: Die Häufigkeit, mit der Methylgruppen (CH-3) an einer bestimmten Stelle direkt ans Erbgutmolekül DNA angelagert war, unterschied sich in beiden Generationen deutlich zwischen beiden Tiergruppen. Die untersuchten Ratten vererben also eindeutig nicht nur ihre DNA, sondern auch das zugehörige Element des epigenetischen Codes, das den Zellen eine Anleitung gibt, wie gut sie das benachbarte Gen benutzen können.

          Dieser Befund widerspricht der Lehrmeinung, nach der alle epigenetischen Markierungen bei der Bildung der Keimzellen und dann noch einmal kurz nach der Befruchtung gelöscht würden. Dafür, dass dieses Dogma endlich über den Haufen geworfen wird, spricht nicht nur das neue Experiment mit den süchtigen Ratten aus China, das genau genommen nur die Spitze einer Vielzahl ähnlicher Resultate aus den vergangenen Jahren ist. Zwei weitere Publikationen aus diesen Wochen lassen sogar noch mehr aufhorchen.

          Es gibt eine epigenetische Erblichkeit der Augenfarbe

          In einem Fall legt Giacomo Cavalli fast zwanzig Jahre nach seiner ersten Publikation zur epigenetischen Erblichkeit der Augenfarbe von Fruchtfliegen nach. Mit Kollegen untersuchte der Forscher vom Institut für Humangenetik an der Universität von Montpellier Fruchtfliegen, die aufgrund eines gentechnischen Eingriffs besonders vielfältige und ausgeprägte epigenetische Veränderungen aufweisen.

          Diese Tiere sind zwar genetisch gleich, haben aber trotzdem entweder weiße, gelbe oder rote Augen. Die Forscher wählten alle Tiere mit extremer Augenfarbe aus, also solche mit tiefem Rot oder lupenreinem Weiß. Anschließend durften sich nur noch Fliegen gleicher Augenfarbe fortpflanzen. So entstanden stabile Linien, in denen auch über mehrere Generationen hinweg immer nur Tiere mit weißen oder roten Augen gezeugt wurden. Eine Überprüfung der Gensequenz stellte sicher, dass es sich trotz allem über beide Linien hinweg um genetisch identische Tiere handelte.

          Fraglos wird die Augenfarbe in diesem Fall also nicht genetisch vererbt. Schon für die anfängliche Augenvielfalt waren epigenetische Veränderungen verantwortlich. Jeder Augenfarbe lässt sich nämlich ein bestimmter Grad einer epigenetischen Markierung zuordnen – einer dreifachen Methylierung des Histons 3 am Lysin 27 (H3K27me3). Histone sind Proteine, die Kugeln bilden, um die sich die DNA wickelt und mit denen sie in Abhängigkeit vom epigenetischen Code mehr oder weniger kompakte Strukturen bildet, sogenanntes lockeres oder festes Chromatin.

          Die Vererbung der Chromatin-Architektur

          Für die Fruchtfliegen gilt: Je stärker bei ihnen die beobachtete epigenetische Markierung, desto schlechter kann die Zelle eine bestimmte Erbgutregion ablesen, und desto weniger rote Pigmente erzeugt das Auge. Setzten die Forscher diese epigenetische Markierung zu einem späteren Zeitpunkt des Experiments künstlich zurück, verschwand auch wieder binnen einer Generation die zuvor über mehrere Generationen stabil weitervererbte klare Zuordnung der Augenfarbe.

          Schließlich kreuzten die Forscher ihre gentechnisch veränderten Fliegen mit natürlichen Artgenossen. Auch dort setzte sich die epigenetisch kodierte Augenfarbe durch und vererbte sich weiter. Änderten sich jedoch die Umweltbedingungen, wandelten sich offenbar als Reaktion darauf gelegentlich die Augenfarben. Das würde gut erklären, warum auch in der Natur immer wieder scheinbar spontan Fruchtfliegen mit einer anderen Augenfarbe auftauchen.

          Nicht nur Cavalli ist überzeugt, mit dieser Studie dem Beweis deutlich näher gekommen zu sein, dass eine transgenerationelle epigenetische Vererbung bei Tieren existiert. Die renommierte Fachzeitschrift „Nature Genetics“, die die Studie veröffentlichte, stimmt diesem Befund zu. In einem ergänzenden Artikel betont der Epigenetiker Vincenzo Pirrotta von der Rutgers University New Jersey, es gebe dank der neuen Arbeit nun endlich auch erste Hinweise auf den Mechanismus der Vererbung der Chromatin-Architektur: „Die lokale Konzentration der Methylgruppen an einer epigenetischen Markierung verstärkt deren Selbstfortpflanzung.“ Es war demnach also gerade die experimentelle Selektion, nach der entweder ganz besonders viele oder ganz besonders wenige Methylgruppen an den Proteinen nahe dem Augenfarben-Gen angelagert sind, die die Erblichkeit dieses Merkmals erleichterte.

          Epigenetische Veränderung bei Fadenwürmern

          Für diese These spricht die dritte spektakuläre neue Studie zum Thema, durchgeführt mit Fadenwürmern der Art Caenorhabditis elegans. Das Team um Ben Lehner von der European Molecular Biology Organization (EMBL) und der Universität in Barcelona löste bei heranwachsenden Fadenwürmern mit einer Erhöhung der Umgebungstemperatur auf 25 Grad Celsius eine epigenetische Anpassung aus. Dieses Mal befanden sich an den Histonen in der Nähe eines bestimmten Gens allerdings sehr wenige Methylgruppen. Das Gen war demnach besonders aktiv.

          Diese epigenetische Veränderung konnten die Forscher noch vierzehn Generationen später nachweisen. Und das, obwohl sämtliche Nachkommen ausschließlich bei der gewöhnlichen Temperatur von 20 Grad gehalten wurden. Es spielte hierbei keine Rolle, ob die epigenetische Information über die männliche oder die weibliche Linie vererbt worden war. Außerdem wurde das Merkmal – obgleich nicht genetisch fixiert – nachweislich im Erbgut der Zellen transportiert. Fehlte allerdings das Enzym, das für den Aufbau der verantwortlichen epigenetischen Markierung sorgt, scheiterte die transgenerationelle Vererbung.

          Der Schritt zum Menschen ist den Forschern noch nicht gelungen

          Vincenzo Pirrotta schließt angesichts dieser Daten nicht mehr aus, dass Tiere ihre Umweltanpassungen grundsätzlich auch über unbestimmt viele Generationen weitervererben können. Das wäre dann ein Phänomen, das man bisher nur von Pflanzen kennt und Tieren nicht zutraut. Doch ob eine erworbene Umweltanpassung nun theoretisch über zwei bis vier, vierzehn oder unendlich viele Generationen vererbt werden kann, der Schritt zum Menschen ist den Forschern auch mit den neuen Studien nicht gelungen. Immerhin ist die Lücke deutlich kleiner geworden. Denn was Würmer, Fliegen und Nager können, sollte der Biologie des Menschen auch nicht fremd sein.

          Dennoch darf an diesem Punkt weiter gestritten werden. Bislang müssen wir uns mit einigen wenigen epidemiologischen Hinweisen zufriedengeben. Diese legen zwar nahe, dass die beobachteten Zusammenhänge auch beim Menschen gelten. Sie sind jedoch fern jeder Beweiskraft.

          Fraglos könnten die neuen Hypothesen uns aber eines Tages dabei helfen, unsere eigene biologische Entwicklung sowie die Entstehung von Krankheiten und die Evolution als solche besser zu verstehen. Wenn wir uns in Zukunft also mal wieder fragen, wie wir wurden, was wir sind, wird es höchste Zeit, umzudenken.

          Peter Spork ist Biologe und Wissenschaftspublizist mit dem Schwerpunkt Epigenetik. Gerade ist sein neues Buch „Gesundheit ist kein Zufall. Wie das Leben unsere Gene prägt“ erschienen (DVA, München 2017, 416 Seiten, 22,99 EUR). Darin beschreibt Spork, wie die neuesten Erkenntnisse der Epigenetik den Blick auf die Entstehung und Vererbung unserer Gesundheit und Persönlichkeit verändern.

          Quelle: F.A.Z.

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