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Epigenetik : DNA ist nicht alles

Bild: F.A.Z.

Das Genom ist nicht die Blaupause, nach der ein Organismus auf vorgespurten Bahnen seine Entwicklung absolviert. Manchmal können auch Umwelteinflüsse vererbt werden: über Imprinting und andere epigenetische Mechanismen.

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          Sie entsprachen nicht ganz den Erwartungen. Zu Übergewicht und Diabetes neigend, bald von Krebsgeschwüren geplagt, hätten sie ein goldbraunes Fell tragen sollen wie ihre Cousinen und Cousins in der Kontrollgruppe. Stattdessen waren die Mäuse schlank, gesund und vorwiegend dunkel.

          Sonja Kastilan

          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Die Ursache für den augenscheinlichen Unterschied der Jungtiere lag allerdings nicht in den Genen, was vielleicht Gregor Mendel mit seiner Erfahrung als Erbsenzüchter vermutet hätte. Ob nun goldfarben oder nicht - die DNA-Sequenz der Nagetiere war völlig identisch, nur eben nicht gleichermaßen aktiv. Eine Genvariante, welche die Haarfarbe aufhellt und Erkrankungen fördert, wurde bei den dunkelbraunen Tieren stillgelegt; verantwortlich waren dafür bestimmte Veränderungen am "Agouti"- Gen, wo Methylgruppen wie molekulare Schlösser verhinderten, dass ein sogenanntes Transposon seine Wirkung entfalten konnte. Und das nur, weil ihre Mütter während der Schwangerschaft etwas anderes gefressen hatten.

          Epigenetische Mechanismen

          Ein paar Vitamine mehr, und schon spielt der Futternapf Schicksal, verhindert gar Dickleibigkeit und Diabetes. Das Diätwunder, das Randy Jirtl und seine Mitarbeiter an der amerikanischen Duke-Universität im Jahr 2003 beobachtet hatten, zeigt im besonderen Maße, wie äußere Umstände und Gewohnheiten - in diesem Fall die Ernährung - das Erscheinungsbild von Lebewesen beeinflussen können. Solche Veränderungen können über die unterschiedlichen Mechanismen einer "Epigenetik" durchaus an die nächsten Generationen vererbt werden.

          Die Agouti-Mäuse liefern den leibhaftigen Beweis, dass der Phänotyp nicht nur vom Genotyp bestimmt wird. Allein ihre Existenz in Dunkelbraun zeigt, wie kompliziert die Prozesse der Vererbung in Wirklichkeit sein müssen, von denen weder Darwin noch Mendel etwas ahnen konnte und auch nicht Jean-Baptiste Lamarck. Zwar propagierte Lamarck, dass erworbene Eigenschaften erblich sind. Doch sein Beispiel der sich streckenden Giraffenhälse war ebenso ein Fehlgriff wie die Geburtshelferkröten des österreichischen Biologen Paul Kammerer. Was Forscher heute von Agouti-Mäusen oder ähnlichen Beispielen bei Menschen lernen, liefert ein neues Bild von den subtilen Strategien der Evolution.

          Biochemische Vorfahrtsregeln

          Wenn Sex zwischen zwei Geschlechtern Nachkommen zeugt, erhalten diese ihre Erbinformationen von beiden Elternteilen und damit in doppelter Ausführung. Welche der beiden Kopien fortan verwendet wird, wird durch biochemische Markierungen der DNA festgelegt, durch sogenanntes Imprinting. Wichtig ist dabei, welche Variante eines Gens vorkommt, und in einigen Fällen zugleich, von wem sie ursprünglich stammt: Vater oder Mutter? In allen Einzelheiten sind diese Vorgänge noch nicht verstanden, aber man schätzt immerhin, dass bei 156 meist regulatorisch wirkenden Genen des Menschen eine der Kopien frühzeitig die Führung übernimmt und dann permanent im Alleingang wirkt.

          Ein Muli etwa sieht deutlich anders aus, wenn sich nicht eine Pferdestute und ein männlicher Esel paaren, sondern die Elternspezies genau umgekehrt besetzt sind. Auch für die Versuche mit Agouti-Mäusen ist offenbar entscheidend, dass die goldgelbe Nuance ein väterliches Erbe ist, damit die Diät der Schwangeren erkennbare Folgen hat: Während der frühen Embryonalentwicklung, wenn die verschiedenen Zelltypen des Körpers ihre Aufgabe erhalten, werden dann neue epigenetische Schalter am Erbgut wirksam.

          Umweltfaktoren schlagen sich nieder

          Den Mäusedamen mischte Randy Jirtl allerdings nicht irgendwelche Substanzen ins Futter, sondern er reicherte es mit Folsäure, Vitamin B12 und Betain an - Zusätze, die dem Körper vermehrt Methylgruppen liefern und somit Bausteine für die biochemischen Kontrollelemente der Epigenetik. In weiteren Tests ließ sich so auch der Einfluss von Bisphenol A beobachten. Diese Chemikalie sorgte für mehr hell gefärbte Jungtiere in einem Wurf. Ein Effekt, der sich durch die Nahrungszusätze wieder ausgleichen ließ - durch Folsäure sowie durch ein Pflanzenhormon der Sojabohne. Eine entsprechende Diät der Mutter kann also die Brut tatsächlich vor negativen Einflüssen schützen und fürs Leben zeichnen.

          Ähnliches lassen Untersuchungen aus Holland und Schweden auch für den Menschen vermuten: Man entdeckte bereits Zusammenhänge zwischen der körperlichen Verfassung der Enkelgeneration und den Zeiten von Hunger oder Völlerei ihrer Großeltern.

          Ein Zellgedächtnis

          Allerdings besitzt nicht nur die Ernährung eine derart schicksalhafte Wirkung. Mütterliche Zuwendung kann ebenfalls epigenetische Folgen haben und selbst Psyche oder Verhalten der Sprösslinge beeinflussen: Ratten, die als Jungtiere umsorgt und gehegt werden, sind ausgeglichen und eher neugierig. Ihren vernachlässigten Geschwistern fehlt dieser Erkundungsdrang jedoch, sie sind ängstlich und reagieren zudem empfindlich auf Stress. Auch nach dieser Beobachtung konnte der kanadische Forscher Michael Meaney epigentische Veränderungen bei den Ratten finden: In der Gehirnregion des Hippocampus waren bestimmte Genabschnitte methyliert. Und selbst wenn diese besondere Form des Zellgedächtnisses sich nicht gleich in der Keimbahn wiederfindet und damit erblich wird - schon allein die veränderte Verhaltensweise kann für die Evolution eine entscheidende Rolle spielen.

          Ob nun geerbt oder erworben: Wie auch immer die molekularen Schalter am Erbgut entstanden sind - die Epigenetik kann weitaus mehr, als nur Mäusen das Fell färben, sie besitzt eine enorme Macht. Einige der Mechanismen sind heute erforscht und ihr Einfluss bei Krebs oder neurologischen Erkrankungen erkannt. Trotzdem herrscht nach wie vor großes Rätselraten, weshalb ein Imprinting überhaupt existiert.

          Erklärungsversuche für das „Imprinting“

          Da die Mechanismen sowohl im Pflanzen- wie im Tierreich vorkommen, auf gleiche Weise aber in unterschiedlicher Ausprägung, glauben die Forscher, dass es sich um eine konvergente Entwicklung handelt - wichtig genug, dass sie unter dem Druck der Selektion mehrfach entstanden ist. Nur warum? Der Harvard-Biologe David Haig und viele seiner Kollegen glauben, dass ein "sexueller Konflikt" zwischen den Geschlechtern dafür sorgt. Schließlich konkurrieren die genetischen Interessen von Vater und Mutter in der Schwangerschaft: Er will seine Nachkommen und deren Wachstum fördern, sie wiederum möchte sich öfter fortpflanzen, muss ihren Körper und Ressourcen schonen. Andere Evolutionsbiologen bevorzugen dagegen die Theorie einer Koadaptation zwischen Mutter und Fetus, weil das Imprinting den Nährstoffaustausch zwischen ihnen regelt - im Interesse beider Elternteile.

          Unabhängig vom Ursprung: Der Gedanke, dass Imprinting die Entstehung neuer Arten vorantreibt, scheint sich langsam durchzusetzen. Und insbesondere die Plazentatiere unter den Säugern scheinen darauf zu vertrauen. Bei ihnen könne Evolution gewissermaßen durch das Überschreiben der Software stattfinden, ohne gleich die Hardware auszutauschen, formulierte es unlängst Randy Jirtle.

          Braucht man deshalb wirklich eine neue Version der Synthese von Darwins Evolutionstheorie mit der modernen Genetik, wie es jetzt einige Wissenschaftler fordern? Das 21. Jahrhundert trägt sicher viel Neues zum Verständnis bei, doch am Konzept ändert das vorläufig noch nichts.

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