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Die DNA ist nicht alles
Die Epigenetik-Forschung zeigt, dass Umwelteinflüsse Merkmale von Lebewesen verändern. Diese Veränderungen werden teilweise an die Nachkommen weitergegeben. ETH-Professor Renato Paro sieht darin keinen Widerspruch zu Darwins Evolutionstheorie.
Ein bestimmter Labor-Stamm der Fruchtfliege Drosophila melanogaster hat weisse Augen. Wird die Umgebungstemperatur der Embryonen, die normalerweise bei 25 Grad Celsius aufgezogen werden, für kurze Zeit auf 37 Grad Celsius erhöht, haben die später schlüpfenden Fliegen rote Augen. Kreuzt man diese Fliegen wieder untereinander, ist in den folgenden Generationen – ohne weitere Wärmebehandlung – ein Teil der Nachkommen wieder rotäugig, obwohl nach den Regeln der Genetik nur weissäugige Fliegen erwartet werden.
Umwelt beeinflusst Vererbung
Forscher der Gruppe von Renato Paro, Professor für Biosysteme am Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE), kreuzten die Fliegen über sechs Generationen. Sie konnten mit diesem Experiment beweisen, dass die Wärmebehandlung die Augenfarbe dieses speziellen Fliegenstamms verändert, und dass die so behandelten Individuen die Veränderung über mehrere Generationen an ihre Nachkommen weitergeben. Die DNA-Sequenz des Gens jedoch, welche für die Augenfarbe verantwortlich ist, blieb bei weissäugigen Eltern und rotäugigen Nachkommen nachweislich gleich.
Erklärungen für dieses Forschungsresultat bietet das Konzept der Epigenetik. Die Epigenetik beschäftigt sich mit der Vererbung von Merkmalen, die nicht in der DNA-Sequenz festgelegt sind. Für Paro bilden epigenetische Mechanismen eine zusätzliche, übergeordnete Informationsebene zur genetischen Information der DNA.
Früher konnten solche Phänomene nur beschreibend erforscht werden. Heute ist wissenschaftlich nachgewiesen, welche Strukturen beteiligt sind: Wichtige Akteure sind die Histone, eine Art Verpackungsmaterial für die DNA, um diese im Zellkern geordnet und platzsparend zu verstauen. Unterdessen ist klar, dass diese Proteine noch weitere Aufgaben haben. Denn je nach dem, welche chemische Gruppe sie tragen, ob sie acetyliert oder methyliert sind, aktivieren oder deaktivieren sie Gene dauerhaft. Mit neuen Methoden können Forscher zum Teil direkt nachweisen, welche Gene von Histonen aktiviert oder deaktiviert sind.
Zellen haben ein Gedächtnis
Epigenetische Markierungen, wie die Veränderungen der Histone, sind auch für die Spezialisierung der Körperzellen wichtig. Sie bleiben bei der Zellteilung erhalten und werden an die Tochterzellen weitergegeben. Teilen sich Hautzellen, entstehen deshalb wieder Hautzellen, aus Leberzellen nur Leberzellen. In beiden Zelltypen sind von allen Genen nur diejenigen aktiv, die eine Haut- beziehungsweise Leberzelle braucht, um eine Haut- oder Leberzelle zu sein und als solche zu funktionieren. Die genetische Information der DNA wird mit der dazugehörigen epigenetischen Information des jeweiligen Zelltyps weitergegeben.
Paros Gruppe forscht an diesem Zellgedächtnis. Wie die epigenetischen Markierungen bei der Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben werden, ist immer noch unklar. Bei der Zellteilung wird die DNA verdoppelt, wozu die Histone – so die Vorstellung – von ihr gelöst werden müssen. Die Frage ist deshalb, wie dieses Gedächtnis einer Zelle die Zellteilung übersteht.
Junges Forschungsgebiet
Bei der Vererbung der epigenetischen Merkmale von Eltern zu Nachkommen geht es den Forschern ähnlich. Sie wissen unterdessen, dass bei der Bildung der Keimzellen gewisse epigenetische Markierungen bestehen bleiben und an die Nachkommen weitergegeben werden. Die Fragen, an denen momentan geforscht wird, sind, wieviel und was bestehen bleibt und später weitervererbt wird.
Auch der Einfluss von verschiedenen Stoffen aus der Umwelt auf die Epigenetik von Lebewesen, wie auch des Menschen, wird erforscht. Ernährung und Epigenetik hängen offenbar eng zusammen. Das bekannteste Beispiel sind die Agouti-Mäuse: Sie sind gelb, dick, und neigen zu Diabetes und Krebserkrankungen. Werden Agoutimäuseweibchen direkt vor und während der Schwangerschaft mit einem Cocktail von Vitamin B12, Folsäure und Cholin gefüttert, bringen sie mehrheitlich braune, schlanke und kerngesunde Junge zur Welt. Diese haben ihrerseits vor allem Nachkommen von ihrem Schlag.
Widerspruch zu Darwin?
Umwelteinflüsse,
die Eigenschaften eines Individuums verändern und danach an dessen Nachkommen
vererbt werden, passen eigentlich nicht zu Darwins Evolutionstheorie. Nach
seiner Theorie setzt die Evolution an der Population und nicht am einzelnen
Individuum an. «Die Weitergabe von erworbenen Eigenschaften gehört eher zur
Evolutionstheorie von Lamarck», sagt Paro. Trotzdem sieht er Darwins
Evolutionstheorie durch die Erkenntnisse aus der Epigenetik-Forschung nicht in
Frage gestellt. «Darwin hatte 100 Prozent recht», betont Paro. Für ihn ergänzt
die Epigenetik Darwins Theorie. Seiner Meinung nach werden via Epigenetik neue
Merkmale generiert und vererbt, die den gleichen Evolutionsmechanismen
unterworfen sind wie diejenigen, die einen rein genetischen Ursprung haben.
Renato Paro
ist seit 2006 ordentlicher Professor für Biosysteme im Department of Biosystems
Science and Engineering der ETH Zürich in Basel. Sein Forschungsgebiet ist die
Epigenetik und Chromatinregulation.
Am 3. April 2009 hält Renato Paro im Rahmen der Freitagsseminare der Universität und ETH Zürich zum Darwin-Jahr einen öffentlichen Vortrag mit dem Titel „Epigenetics: The Other Route to Evolution?“
Ort: Universität Zürich Irchel, Hörsaal Y15 G40, Zeit: 16 bis 18 Uhr.