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Deine Gene werden durch zahlreiche Faktoren reguliert. Das bedeutet, dass nicht die gesamte, sondern nur ein Teil der Erbinformation (DNA) ausgeprägt wird. Einer dieser regulierenden Faktoren ist die epigenetische Genregulation. Hierbei handelt es sich um strukturelle Modifikationen der DNA, welche die Nukleotidsequenz nicht direkt verändern.
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Leg kostenfrei losWelche Arten der Histon-Modifikation gibt es?
Wie wirkt sich die Umwelt auf epigenetische Mechanismen aus?
Was versteht man unter Epigenetik?
Welche Rolle spielt die DNA-Methylierung in der Genregulation?
Warum sehen eineiige Zwillinge trotz identischem Genotyp unterschiedlich aus?
Welcher Prozess beschreibt die Anlagerung von Methylgruppen an Cytosin?
Welche zwei Hauptmechanismen gehören zu den epigenetischen Modifikationen?
Was versteht man unter Epigenetik?
Welche Umweltfaktoren können epigenetische Modifikationen hervorrufen?
Welche Art von Chromatin ist mit einer erhöhten Genexpression assoziiert?
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Team Epigenetik Lehrer
Bevor die epigenetische Genregulation genauer betrachtet wird, ist es wichtig zu wissen, was man unter dem Begriff Epigenetik versteht. Die Epigenetik ist ein Feld der Molekularbiologie.
Als Epigenetik wird das Zusammenspiel von Genen und der Umwelt bezeichnet. Sie beschreibt Mechanismen (Modifikationen), welche die Struktur und Zustände der DNA (Chromatin) beeinflussen, ohne die primäre Nukleotidsequenz zu verändern.
Entsprechende epigenetische Veränderungen können permanent sein und vererbt werden. Epigenetische Mechanismen werden durch äußere Umwelteinflüsse beeinflusst.
Epigenetische Mechanismen verändern die Nukleotidsequenz nicht und sind daher nicht direkt nachweisbar.
Die Epigenetik beschäftigt sich mit Veränderungen (Modifikationen) des Erbguts. Diese Art der Regulation nimmt Einfluss auf den Phänotyp, nicht aber auf den Genotyp.
Der Genotyp ist die Ausstattung an Informationen, die auf der DNA vorliegt. Er umfasst die Gesamtheit aller Gene eines Organismus.
Der Phänotyp hingegen ist das äußere Erscheinungsbild. Dabei spielen der Genotyp, aber auch andere Umweltfaktoren eine Rolle. Im Phänotyp spiegelt sich wider, welche genetische Information ausgeprägt wird. Das Zusammenspiel aus DNA, Umweltfaktoren und Genregulation mündet im Phänotyp. Deswegen sehen eineiige Zwillinge auch nie identisch aus – trotz des gleichen Genotyps.
Wenn Du mehr zu den Themen Genotyp und Phänotyp wissen willst, schaue einmal bei den entsprechenden Erklärungen rein.
Es gibt unterschiedliche epigenetische Mechanismen, welche genregulativ wirken können. Solche Mechanismen dienen vor allem der direkten Anpassung des Organismus an die Umweltbedingungen. Entsprechende Auswirkungen lassen sich nur im Phänotyp beobachten.
Die wichtigsten epigenetischen Mechanismen sind die DNA-Methylierung und die Histon-Modifikation.
Ein Beispiel der epigenetischen Genregulation erlebst Du jeden Sommer, wenn Du in die Sonne gehst. Die Bräunung Deiner Haut ist auf epigenetische Modifikation zurückzuführen. Eine Veränderung der Methylierung Deiner Gene löst den häufig gewünschten Bräunungseffekt aus.
Bei starkem UV-Licht, beispielsweise durch die Sonne, werden Methylgruppen aus dem Melanin Gen entfernt. Melanine sind für die Bräune der Haut entscheidend. Wenn die Methylierung aufgehoben ist, kann mehr Melanin produziert werden. Dies hat eine Bräunung der Haut zufolge.
DNA-Methylierung ist ein typischer epigenetischer Prozess zur Regulation der Gene. Dabei wird eine Methylgruppe an ein Nukleotid gebunden, so wird das Ablesen der Gene (Transkription) beeinflusst.
Bei der DNA-Methylierung werden Methylgruppen durch sogenannte DNA-Methyltransferasen an Cytosin angefügt. Findet eine Methylierung an Promotorregionen statt, führt das dazu, dass bestimmte Proteine an der Promotorregion binden und das Gen nicht mehr abgelesen wird. Somit hemmt die Methylierung die Transkription.
Die Promotorregion ist jedem proteincodierenden Gen vorgeschaltet. An ihr bindet die RNA-Polymerase, um anschließend das Gen in eine mRNA umzuschreiben. Bei der Genregulation spielt die Promotorregion eine wichtige Rolle. Promotorregionen beinhalten in der Regel einen hohen Gehalt an Cytosinen auf denen ein Guanin folgt (CpG-Inseln). Dort kann eine Methylierung stattfinden.
Abbildung 1: Genregulation durch DNA-Methylierung.
Im Zuge der Replikation (Mitose und Meiose) können Methylierungsmuster an die Tochterzellen beziehungsweise an die Keimzellen weitergegeben werden. Somit sind Anpassungen durch die DNA-Methylierung vererbbar.
Ein weiterer epigenetischer Prozess ist die Modifikation von Histonen. Zunächst solltest Du Dir jedoch vergegenwärtigen, welche Rolle Histone für den Zustand von DNA in unseren Zellen spielen.
Das Erbgut (DNA) liegt in unseren Zellen als sogenanntes Chromatin vor. Hierbei handelt es sich um einen Komplex aus dem DNA-Molekül und eine Reihe von Proteinen. Damit unsere DNA in den Zellkern passt, ist sie teilweise sehr dicht und strukturiert verpackt. Hierfür wird der DNA-Strang um die sogenannten Histone gewickelt. Dabei handelt es sich um Proteine, die eng mit dem DNA-Molekül interagieren.
Histone werden auch als Verpackungsproteine der DNA bezeichnet.
Das Chromatin kann entweder verdichtet als Heterochromatin oder lockerer verpackt als Euchromatin vorliegen. Liegt die DNA als Heterochromatin vor, können Gene auf entsprechenden Abschnitten nur bedingt abgelesen werden, da die Transkriptionsfaktoren nicht an der DNA binden können. Im Gegensatz dazu ist der Zustand des Euchromatins mit einer erhöhten Genexpression assoziiert, weil die Transkriptionsfaktoren binden können.
Genau hier wirkt der epigenetische Prozess der Histon-Modifikation. Unterschiedliche Modifikationen beeinflussen den Zustand des Chromatins und somit die Transkription der Gene.
Histone bestehen aus acht Untereinheiten. Sie werden nach der Translation (posttranslational) auf unterschiedliche Weise modifiziert. Hierbei können Methylgruppen, Acetylgruppen oder Phosphorgruppen an unterschiedliche Untereinheiten der Histone angehangen und somit Einfluss auf den Zustand des Chromatins genommen werden:
Grundsätzlich sorgen Phosphatreste und Acetylreste dafür, dass die DNA lockerer verpackt ist (Euchromatin) und Transkriptionsfaktoren an der DNA binden können. Eine Methylierung der Histone hat zu Folge, dass die DNA dichter verpackt vorliegt (Heterochromatin).
Funktionsweise der Histon-Modifikation am Beispiel der Acetylierung:
Die DNA ist aufgrund ihrer negativen Ladung stark an die positiv geladenen Histone gebunden. Daraus resultiert eine dichte Formation des DNA-Protein-Komplexes. Durch die Acetylierung der Aminosäure Lysin am Ende der Aminosäuresequenz des Histons wird die positive Ladung des Histons abgeschwächt. Dadurch wird die Bindung zwischen Histon und DNA gelockert und ein weniger dichter Zustand des Chromatins ist die Folge.
Auch Histon-Modifizierungsmuster können im Zuge der Replikation (Mitose und Meiose) weitergeben beziehungsweise vererbt werden. Die Prozesse, auf denen die Vererbung dieser Modifikationen basiert, sind bis jetzt noch nicht verstanden.
Ein besonderes Merkmal der Epigenetik ist, dass sie durch Umweltfaktoren beeinflusst wird. Dazu gehören beispielsweise die Ernährung, Stress und die Populationsdichte.
Forschende am Max-Planck-Institut haben gezeigt, dass epigenetische Modifikationen bei Mäusen durch fetthaltigere Nahrung und längere Tageszeiten ausgelöst werden. Die Umweltfaktoren, Ernährung und Tageszeit haben diesem Fall dazu geführt, dass bestimmte Stoffwechsel-Gene verstärkt abgelesen wurden. Dadurch konnten die Mäuse energiereiche Nahrung effektiver verwerten.
Die Epigenetik ist ein vergleichsweise junges Forschungsfeld. Zwar hat man die grundlegenden Mechanismen der Epigenetik verstanden, jedoch bleiben viele Fragen in Bezug auf die Beeinflussung und die Vererbung ungeklärt.
Es ist bekannt, dass epigenetische Modifikationen vererbbar sind. In der Regel werden epigenetische Veränderungen, wie am Beispiel der Mäuse erklärt, nicht an die nächste Generation weiter gegeben. Wie stark der Umwelteinfluss beziehungsweise die epigenetische Modifikation sein muss, damit sie an folgende Generationen weiter gegeben wird, bleibt zum Teil ungeklärt.
Es konnte gezeigt werden, dass prägende Ereignisse wie Traumata oder Hungerperioden epigenetische Veränderungen hervorrufen, welche über mehrere Generationen erhalten bleiben.
In diesen Beispielen erfährst Du mehr über epigenetische Modifikationen.
Ein Beispiel der epigenetischen Genregulation erlebst Du jeden Sommer, wenn Du in die Sonne gehst. Die Bräunung Deiner Haut ist auf epigenetische Modifikation zurückzuführen. Eine Veränderung der Methylierung Deiner Gene löst den häufig gewünschten Bräunungseffekt aus.
Bei starkem UV-Licht, beispielsweise durch die Sonne, werden Methylgruppen aus dem Melanin Gen entfernt. Melanine sind für die Bräune der Haut entscheidend. Wenn die Methylierung aufgehoben ist, kann mehr Melanin produziert werden. Dies hat eine Bräunung der Haut zufolge.
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Wie erfolgt die epigenetische Regulation der Genexpression?
Die epigenetische Regulation der Genexpression erfolgt durch Modifikationen von DNA-Basen und Histonen. Durch diese Modifikationen wird die Transkription von entsprechenden Genen begünstigt oder gehemmt.
Was versteht man unter der Epigenetik?
Epigenetik erklärt den Einfluss der Umwelt auf die Ausprägung von Genen. Epigenetische Prozesse werden durch Umweltfaktoren beeinflusst und steuern die Ausprägung von Genen durch Genregulation und dabei keinen direkten Einfluss auf die Nukleotidsequenz haben. Epigenetische Modifikationen können an folgende Zellgenerationen weiter vererbt werden.
Was gehört alles zu Epigenetik?
Zur Epigenetik gehören genregulierende Modifikationen von DNA-Basen (DNA-Methylierung) und die Modifikation von Histon-Proteinen (Histon-Modifikation.
Was ist eine epigenetische Modifikation?
Epigenetische Modifikationen sind reversible Veränderungen von Histonen (z.B Acetylierung oder Methylierung) oder DNA-Basen (Methylierung von Cystein).
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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