Wie die Zelle unsere Gene steuert

Wie die Zelle unsere Gene steuert

DNA-Faden in blau und rot mit einem Ablesemolekül

Um unterschiedliche Zellen zu bilden, muss der Körper gezielt Gene an- oder ausschalten.

Im Inneren unserer Zellen, im Zellkern, liegt unser Erbgut. Über 20.000 Gene sind dort auf unserer DNA gespeichert. Die ist unveränderlich und bleibt unser ganzes Leben lang festgeschrieben - wie in Büchern. Trotzdem sind die Gene beeinflussbar. Denn unsere Gene werden im Laufe unseres Lebens unterschiedlich gesteuert - sie werden zeitweise an- oder ausgeschaltet. Das ist einerseits die Voraussetzung für unseren komplexen Organismus – und eröffnet uns andererseits interessante Möglichkeiten der Einflussnahme auf unsere Gene. Forscher nennen diese Gen-Steuerung „Epigenetik“.

Nicht jedes Gen ist ständig im Einsatz

Jede Körperzelle trägt im Zellkern den vollständigen Satz all unserer über 20.000 Gene. Etwa 9.000 davon sind für alle Zellen wichtig – für den Stoffwechsel, für Reparaturen oder die Zellteilung. Aber nicht jedes Gen wird zu jeder Zeit gebraucht.

Damit sich aus dieser uniformen Vorlage ein komplexer Organismus wie zum Beispiel der Mensch mit über 200 Zelltypen entwickeln kann, werden bestimmte Gene nur zeitweise oder nur in einigen Zellen angeschaltet. Eine Hautzelle muss beispielsweise nicht wissen, wie man Gerinnungsfaktoren bildet – das ist Aufgabe der Leberzellen. Und die genetische Information zur Bildung des Hormons Insulin ist nur für Zellen der Bauchspeicheldrüse wichtig. Kurz: Jede Zelle benutzt nur die Gene, die sie braucht.

So werden Gene angeschaltet...

Dazu muss man wissen, dass der gut zwei Meter lange DNA-Faden nicht nackt in der Zelle vorliegt, sondern um kleine Eiweiß-Kugeln gewickelt ist. Die nennt man Histone. Um ein Gen „anzuschalten“, verändert die Zelle diese Verpackung des Erbguts, indem sie bestimmte Moleküle, häufig Acetylgruppen, an das Histon anheftet. Das Ergebnis: Die Verpackung des Erbguts wird lockerer, das Gen wird sichtbar und kann abgelesen werden. Die DNA dieses Gens wird jetzt kopiert und ist fortan transportfähig. Sie wird dann, außerhalb des Zellkerns, in einen langen Eiweißfaden „übersetzt“. Der Faden faltet sich in seine endgültige Form und ein neues Eiweiß ist entstanden. Dieses Eiweiß kann zum Beispiel ein Hormon sein oder ein Enzym. Und diese Eiweiße machen den Charakter unserer Zellen aus. „Gen angeschaltet“ bedeutet also: Am Ende entsteht ein Eiweiß.

Ein Beispiel: Wenn wir über einige Wochen viel Süßes essen, braucht der Körper mehr Insulin. Das Gen für Insulin wird jetzt also häufiger „angeschaltet“ und die Bauchspeicheldrüse kann mehr davon produzieren. Das geht auch umgekehrt. Epigenetische Prozesse kann man nämlich rückgängig machen.

...und so ausgeschaltet

„Gen ausgeschaltet“ bedeutet dagegen: Aus diesem Gen entsteht kein Eiweiß. Um Gene auszuschalten, hat die Zelle verschiedene Möglichkeiten. Sie kann den oben beschriebenen Prozess einfach umkehren. Wenn die Zelle an die Histone ein anderes Molekül, häufig sind es Methylgruppen, anheftet, dann wird das Gen dichter verpackt. Es ist versteckt und für die Zelle unzugänglich – und damit ausgeschaltet. Es können sogar längere vDNA-Abschnitte gezielt stillgelegt werden. Auch der Austausch der Verpackungs-Eiweiße, der Histone, kann die Zugänglichkeit der Gene beeinflussen und so Gene an- oder ausschalten.

DNA-Faden auf Eiweißen

Die Wicklung der DNA auf den Eiweißen bestimmt, ob sie abgelesen werden oder nicht.

Es gibt aber noch einen weiteren Mechanismus. So kann die Zelle die Methylgruppen auch direkt an den DNA-Faden anknüpfen. Dadurch wird die DNA direkt blockiert und das Gen ist dann sozusagen stummgeschaltet.

Gen-Steuerung über „Müll-DNA“

In unserem Erbgut gibt es auch DNA-Abschnitte, die Forscher lange für nutzlos hielten. Früher nannte man sie sogar„Müll-DNA“. Sie wird zwar kopiert, aber es entstehen nur viele, sehr kurze Kopien von Genabschnitten, die nicht in ein Eiweiß übersetzt werden. Das betrifft immerhin fast 98 Prozent unserer genetischen Information. Lange war unklar, warum diese Genabschnitte überhaupt abgelesen werden. Seit neuestem vermuten Forscher, dass auch diese kurzen Kopien Gene steuern können. Zum Beispiel heften sie sich an bestimmte Eiweiße und können als ein solcher Komplex Gene blockieren und ausschalten.

Was durch die Steuerung der Gene möglich wird

kurze Erbgut-Stücke an einem Eiweiß

Kurze Kopien des Erbguts können auch Einfluss auf die Gene nehmen.

Für die Steuerung der Gene hat die Zelle also unterschiedliche Möglichkeiten, die sich auch gegenseitig verstärken können. Durch Muskeltraining etwa wird die Aktivität von etwa 20 Prozent unserer Gene verändert. Die Zelle holt sich dabei aus dem Erbgut nur die Informationen, die sie für ihre Mission auch wirklich braucht. Das Besondere: Das Erbgut selbst wird dabei nicht verändert. Doch die Steuerungselemente sind nicht dauerhaft fixiert – das heißt, sie können gesetzt und auch wieder entfernt werden. In der Medizin eröffnet diese Erkenntnis ganz neue Behandlungsmöglichkeiten mit epigenetischen Medikamenten.

Filmautorin: Katrin Krieft

DNA

DNA ist die Abkürzung für Desoxyribonuleoic acid oder deutsch Desoxyribonukleinsäure (DNS). Das biochemische Molekül ist der Träger unserer Erbinformationen. Die DNA ist ein langer Faden, der in etwa wie eine Strickleiter aufgebaut und leicht verdreht ist - ein aus insgesamt 3,2 Milliarden Basenpaaren aufgebauter Faden. Entfaltet wäre er zwei Meter lang.

Basenpaare

Die eigentliche genetische Information der DNA wird über die Abfolge der sogenannten Basenpaare bestimmt. In der menschlichen DNA gibt es vier Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, die oft auch mit A, T, G und C abgekürzt werden. Jeweils drei solcher aufeinanderfolgenden Basen stehen für eine der 20 unterschiedlichen Aminosäuren, aus denen später die für den funktionierenden Organismus so wichtigen Eiweiße zusammengesetzt werden. Die Reihenfolge der Basen bestimmt so die Reihenfolge der Aminosäuren im Eiweiß und so deren Aufbau.

Methylgruppen

Methylgruppen bestehen aus einem Kohlenstoffatom und drei Wasserstoff-atomen. Sie sind keine eigenständige Substanz, sondern Teil eines größeren Moleküls. In vielen Stoffwechselprozessen werden diese Atomgruppen von einem sogenannten Methylgruppen-Donor an einen sogenannten Methylgruppen-Akzeptor übertragen. Im Falle der DNA-Methylierung wird die Methylgruppe von einem bestimmten Enzym - der sogenannten Methyltransferase - an eine bestimmte Base der DNA übertragen und führt dort zum „Ausschalten“ des nachfolgenden Genabschnitts.

Acetylgruppen

Auch Acetylgruppen sind keine eigenständigen Moleküle, sondern Atomgruppen, die in zahlreichen Stoffwechselvorgängen eine wichtige Rolle spielen. Sie sind aus zwei Kohlenstoffatomen, drei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zusammengesetzt. Eines der bekanntesten Moleküle, das eine Acetyl-Gruppe enthält, ist die Acetylsalicylsäure, kurz ASS - Wirkstoff von zahlreichen Schmerzmitteln.

Histon

Die DNA-Fäden liegen nicht nackt im Zellkern vor, sondern werden auf sogenannte Histone aufgewickelt. Histone bestehen aus Eiweißbausteinen, die zusammen eine kugelförmige Struktur bilden, um die sich der DNA-Faden schlingt. Ein Histon kann einen DNA-Abschnitt aufspulen, der aus bis zu 147 Basenpaaren besteht. Lange wurden die Histone nur als inaktives Verpackungsmaterial gesehen. Durch die Erkenntnisse der Epigenetik wird klar, dass sie auch stark an der Regulierung der Genaktivität beteiligt sind. Wie stark oder locker die DNA auf die Histone aufgewickelt ist, beeinflusst nämlich, welche Genbereiche abgelesen und in Eiweiße übersetzt werden können.

Stand: 24.04.2017, 08:00