Sind Gene unser Schicksal?

15. September 2011

Sind Gene unser Schicksal?

Wissenschaftler des Salk-Instituts entdecken "versteckten" Code in der DNA, der sich schneller entwickelt als der genetische Code

15. September 2011

LA JOLLA, CA – Ein “versteckter” Code, der mit der DNA von Pflanzen verbunden ist, ermöglicht es ihnen, neue biologische Merkmale weitaus schneller zu entwickeln und weiterzugeben, als bisher angenommen, so die Ergebnisse einer bahnbrechenden Studie von Forschern des Salk Institute for Biological Studies.

Die Studie, die heute in der Fachzeitschrift Wissenschaft, liefert die ersten Beweise dafür, dass der “epigenetische” Code eines Organismus – eine zusätzliche Schicht biochemischer Anweisungen in der DNA – sich schneller entwickeln kann als der genetische Code und biologische Merkmale stark beeinflussen kann.

Obwohl die Studie auf eine einzige Pflanzenart, die Arabidopsis thaliana, beschränkt war, die als das Äquivalent der Laborratte in der Pflanzenwelt gilt, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Merkmale anderer Organismen, einschließlich des Menschen, ebenfalls dramatisch von biologischen Mechanismen beeinflusst werden könnten, die Wissenschaftler gerade erst zu verstehen beginnen.

“Unsere Studie zeigt, dass nicht alles in den Genen liegt”, sagte Joseph Ecker, Professor im Labor für pflanzliche Molekular- und Zellbiologie am Salk Institute, der das Forschungsteam leitete. “Wir haben festgestellt, dass diese Pflanzen einen epigenetischen Code haben, der flexibler und einflussreicher ist, als wir uns vorgestellt haben. Es gibt eindeutig eine erbliche Komponente, die wir noch nicht vollständig verstehen. Es ist möglich, dass wir Menschen einen ähnlich aktiven epigenetischen Mechanismus haben, der unsere biologischen Merkmale steuert und an unsere Kinder weitergegeben wird.”

Mit dem Aufkommen von Techniken zur schnellen Kartierung der DNA von Organismen haben Wissenschaftler festgestellt, dass die Gene, die im vierbuchstabigen DNA-Code gespeichert sind, nicht immer bestimmen, wie sich ein Organismus entwickelt und auf seine Umwelt reagiert. Je mehr Biologen die Genome verschiedener Organismen (ihren gesamten genetischen Code) kartieren, desto mehr entdecken sie Diskrepanzen zwischen dem, was der genetische Code vorschreibt, und dem, wie Organismen tatsächlich aussehen und funktionieren.

Tatsächlich basierten viele der wichtigsten Entdeckungen, die zu diesen Schlussfolgerungen führten, auf Studien an Pflanzen. Es gibt Merkmale wie Blütenform und Fruchtpigmentierung bei einigen Pflanzen, die unter der Kontrolle dieses epigenetischen Codes stehen. Solche Merkmale, die die Vorhersagen der klassischen mendelschen Genetik widersprechen, finden sich auch bei Säugetieren. Bei einigen Mäusestämmen zum Beispiel kann eine Fettleibigkeitstendenz von Generation zu Generation weitergegeben werden, aber kein Unterschied im genetischen Code von dicken und dünnen Mäusen erklärt diesen Gewichtsunterschied.

Wissenschaftler haben sogar festgestellt, dass eineiige menschliche Zwillinge trotz übereinstimmender DNA-Sequenzen unterschiedliche biologische Merkmale aufweisen. Sie haben die Theorie aufgestellt, dass solche unerklärlichen Unterschiede das Ergebnis epigenetischer Variationen sein könnten.

“Da keines dieser Muster von Variation und Vererbung dem entspricht, was die genetische Sequenz besagt, fehlt eindeutig ein Teil der ‘genetischen’ Erblichkeit”, sagte Ecker.

Ecker und andere Wissenschaftler haben diese geheimnisvollen Muster auf chemische Markierungen zurückgeführt, die als Schicht der genetischen Kontrolle über der DNA-Sequenz dienen. So wie genetische Mutationen spontan auftreten und an nachfolgende Generationen vererbt werden können, können epigenetische Mutationen bei Individuen entstehen und sich in der breiteren Bevölkerung verbreiten.

Obwohl Wissenschaftler eine Reihe epigenetischer Merkmale identifiziert haben, war wenig darüber bekannt, wie oft sie spontan auftraten, wie schnell sie sich in einer Population ausbreiten konnten und welchen Einfluss sie auf die biologische Entwicklung und Funktion haben konnten.

“Die Wahrnehmung des Ausmaßes epigenetischer Variation bei Pflanzen von Generation zu Generation variiert innerhalb unserer wissenschaftlichen Gemeinschaft stark”, sagte Robert Schmitz, Postdoktorand in Eckers Labor und Hauptautor der Arbeit. ’Wir haben tatsächlich das Experiment durchgeführt und festgestellt, dass es insgesamt nur sehr geringe Veränderungen zwischen den einzelnen Generationen gibt, aber spontane Epimutationen existieren in Populationen und treten mit einer viel höheren Rate auf als die DNA-Mutationsrate, und manchmal hatten sie einen starken Einfluss darauf, wie bestimmte Gene exprimiert wurden.“

In ihrer Studie kartierten die Forscher vom Salk Institute und ihre Kooperationspartner vom Scripps Research Institute das Epigenom einer Population von Arabidopsis-Pflanzen und beobachteten anschließend, wie sich diese biochemische Landschaft nach 30 Generationen verändert hatte. Diese Kartierung bestand darin, den Zustand aller Stellen auf dem DNA-Molekül zu erfassen, die eine chemische Modifikation, bekannt als Methylierung, erfahren können. Dies ist eine wichtige epigenetische Veränderung, die die Expression bestimmter zugrunde liegender Gene beeinflussen kann. Anschließend beobachteten sie, wie sich die Methylierungszustände dieser Stellen über die Generationen hinweg entwickelten.

Die Pflanzen waren allesamt Klone eines einzigen Vorfahren, sodass ihre DNA-Sequenzen über die Generationen hinweg im Wesentlichen identisch waren. Daher waren Veränderungen in der Expression bestimmter genetischer Merkmale bei den Pflanzen wahrscheinlich auf spontane Veränderungen in ihrem epigenetischen Code zurückzuführen – Variationen in der Methylierung der DNA-Stellen – und nicht auf Variationen in den zugrunde liegenden DNA-Sequenzen.

“Man könnte diese Art von Studie nicht an Menschen durchführen, da unsere DNA jede Generation gemischt wird”, sagte Ecker. “Im Gegensatz zu Menschen lassen sich einige Pflanzen leicht klonen, sodass wir die epigenetische Signatur ohne all den genetischen Lärm sehen können.”

Die Forscher entdeckten, dass jedes Jahr bis zu einige Tausend Methylierungsstellen in der DNA der Pflanzen verändert wurden. Obwohl dies einen kleinen Anteil der schätzungsweise sechs Millionen auf der Arabidopsis-DNA vorhandenen Methylierungsstellen darstellt, übertrifft es die Spontanveränderungsrate auf der DNA-Sequenzebene um etwa fünf Größenordnungen.

Dies deutet darauf hin, dass der epigenetische Code von Pflanzen – und durch Erweiterung auch von anderen Organismen – weitaus fließender ist als ihr genetischer Code.

Noch überraschender war das Ausmaß, in dem einige dieser Veränderungen Gene ein- oder ausschalteten. Eine Reihe von Pflanzengenen, die vererbbare Veränderungen in der Methylierung erfuhren, erlebten auch erhebliche Veränderungen in ihrer Expression – dem Prozess, durch den Gene Zellfunktionen durch Proteinproduktion steuern.

Das bedeutete, dass sich das Epigenom der Pflanzen nicht nur trotz fehlenden starken Umwelteinflusses schnell veränderte, sondern dass diese Veränderungen einen starken Einfluss auf die Form und Funktion der Pflanzen haben konnten.

Ecker sagte, die Ergebnisse der Studie lieferten einige der ersten Beweise dafür, dass der epigenetische Code schnell und mit dramatischen Auswirkungen umgeschrieben werden kann. “Das bedeutet, dass Gene kein Schicksal sind”, sagte er. “Wenn wir unseren Pflanzen ähneln, kann sich unser Epigenom möglicherweise auch relativ schnell spontanen Veränderungen unterziehen, die einen starken Einfluss auf unsere biologischen Merkmale haben könnten.”

Nachdem sie das Ausmaß spontaner epigenetischer Mutationen aufgezeigt haben, planen die Forscher des Salk Institute, die biochemischen Mechanismen zu entschlüsseln, die es diesen Veränderungen ermöglichen, aufzutreten und von Generation zu Generation weitergegeben zu werden.

Sie hoffen auch zu untersuchen, wie unterschiedliche Umweltbedingungen, wie z. B. Temperaturunterschiede, epigenetische Veränderungen bei den Pflanzen hervorrufen können oder ob epigenetische Merkmale den Pflanzen umgekehrt mehr Flexibilität bei der Bewältigung von Umweltveränderungen bieten.

“Wir glauben, dass diese epigenetischen Ereignisse Gene zum Schweigen bringen könnten, wenn sie nicht benötigt werden, und sie dann wieder einschalten, wenn äußere Bedingungen dies erfordern”, sagte Ecker. “Wir werden nicht wissen, wie wichtig diese Epimutationen sind, bis wir ihre Wirkung auf die Pflanzeneigenschaften messen, und wir sind gerade erst so weit, dass wir diese Experimente durchführen können. Das ist sehr aufregend.”

Die Forschung wird von der National Science Foundation, den National Institutes of Health, dem Howard Hughes Medical Institute, der Gordon und Betty Moore Foundation sowie der Mary K. Chapman Foundation unterstützt.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit führenden Institutionen für Grundlagenforschung, an der international renommierte Fakultätsmitglieder grundlegende Fragen der Biowissenschaften in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld untersuchen. Mit dem Fokus auf Entdeckungen und die Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen leisten Salk-Wissenschaftler bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten durch die Untersuchung von Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie sowie verwandten Disziplinen.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Auszeichnungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polio-Impfstoff-Pionier Dr. Jonas Salk gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.