Von Peter Spork
Für eine allgemeine und verständliche Einführung in die Epigenetik klicken Sie bitte hier.
Es folgt eine Erklärung der wichtigsten Fachbegriffe
Acetylierung / Acetylgruppe
Eine Acetylgruppe (Ac) besteht aus zwei Kohlenstoff-, einem Sauerstoff- und drei Wasserstoffatomen (C(O)CH3). Körperzellen können viele ihrer Proteine mit Hilfe spezieller Enzyme mit einer oder mehreren Acetylgruppen versehen. Diesen Vorgang, der die Eigenschaften der Biomoleküle verändert, nennt man Acetylierung. Für die Epigenetik sind vor allem Acetylierungen der Histon-Proteine wichtig.
BDNF / brain-derived neurotrophic factor
Der BDNF oder brain-derived neurotrophic factor (vom Gehirn erzeugter neurotropher Faktor) ist ein wichtiger Wachstumsfaktor des Nervensystems. Er schützt Nervenzellen sowie deren Verbindungen und regt ihr Wachstum an. Er ist unter anderem für das Langzeitgedächtnis wichtig.
Bindung
Psychologen bezeichnen mit Bindung die Fähigkeit eines Menschen, sich einem anderen Menschen verbunden zu fühlen, sich an ihn zu binden. Besonders prägend für die gesamte spätere Bindungsfähigkeit eines Menschen scheint die Bindung von Kindern im ersten Lebensjahr an ihre Eltern und andere wichtige Bezugspersonen zu sein.
Biomarker
Ein Biomarker ist eine objektiv messbare Substanz oder ein erfassbarer physiologischer Zustand, der eine biomedizinische, biologische oder psychologische Diagnose erlaubt. Es kann sich zum Beispiel um den Blutzuckerspiegel, die Herzfrequenz oder die Menge von Stresshormonen im Speichel handeln. Letztlich ist auch die Anzeige der Körpertemperatur mit Hilfe eines Fieberthermometers ein Biomarker.
Biopsychologie
Besonderer Zweig der Psychologie, der sich mit den biologischen Ursachen für psychologische Phänomene beschäftigt. Biopsychologen untersuchen zum Beispiel, wie das Gehirn auf sozialen Stress reagiert und ob sich seine Strukturen dabei verändern.
Boten-RNA / messenger-RNA / mRNA
Wird ein Gen auf der DNA mit Hilfe von Enzymen abgelesen (Transkription), bilden die entsprechenden Enzyme eine Boten-RNA, die die spiegelbildliche Nukleotidsequenz des Gens enthält. Diese messenger- oder kurz mRNA wandert aus dem Zellkern an jene Orte der Zelle, wo auf der Basis ihrer Nukleotidsequenz die Aminosäuresequenz des Proteins hergestellt wird (Translation).
Chromosom
Die DNA aller Organismen mit kernhaltigen Zellen (Eukaryoten) ist auf mehrere Moleküle verteilt, die gemeinsam mit den Histonen und anderen Proteinen die Chromosomen bilden. Menschliche Zellen besitzen 46 Chromosomen. Dabei handelt es sich um 22 doppelt vorliegende so genannte Autosomen und zwei Geschlechtschromosomen (bei Frauen zwei X-Chromosomen, bei Männern ein X- und ein Y-Chromosom).
Chromatin
Der DNA Faden liegt nicht nackt im Zellkern vor, sondern wird über basische Proteine (Histone) verpackt und geschützt. Mehrere Histone bilden kugelförmige Gebilde (Oktamere), um die sich jeweils 147 Basenpaare der DNA in regelmäßigen Abständen aufwickeln. Diese Oktamer-DNA-Kugeln werden Nukleosomen genannt und bilden das Grundgerüst des Chromatins. Chromatin ist sehr plastisch und kann als dicht verpackte, kompakte Form namens Heterochromatin vorliegen, in der die Gene nicht aktivierbar sind, oder als locker verpackte, leicht aktivierbare Form namens Euchromatin.
Cortisol
Ein Stresshormon aus der Gruppe der Glucocorticoide. Es wird angeregt durch einen Botenstoff aus der Hirnanhangdrüse, in der Nebennierenrinde gebildet und gelangt von dort in die Blutbahn. Als Hormon bewirkt es eine Aktivierung der Stress-Achse. So steigert es die Aufmerksamkeit und erhöht Blutdruck, Blutzuckerspiegel, Körpertemperatur und vieles mehr. Außerdem senkt Cortisol die Aktivität des Immunsystems.
DNA / Desoxyribonukleinsäure
Sie ist der Grundbaustein des Erbguts. Sie besteht aus zwei spiegelbildlich miteinander verbundenen Strängen von vier möglichen aneinandergereihten Nukleotid-Basen, die sich zur bekannten Doppelhelix-Struktur verdrehen. Dabei paaren sich jeweils die Basen Cytosin auf dem einen und Guanin auf dem anderen Strang sowie Adenin und Thymin. Die Sequenz, mit der die Basen der DNA aufeinander folgen, ist ein Code, in dem die Gene gespeichert sind, welche die Baupläne für Biomoleküle (z.B. Proteine) enthalten. Teilt sich eine Zelle, trennen sich zunächst ihre beiden DNA-Stränge auf. Dann wird der jeweils spiegelbildliche Strang ersetzt. So verdoppelt sich die DNA, ihr Code bleibt erhalten und jede der Tochterzellen erhält einen vollen Satz der Erbinformation.
DNA-Methylierung
Siehe Methylierung.
Enhancer
Ein Enhancer ist ein regulatorischer Abschnitt der DNA, an den bestimmte Transkriptionsfaktoren binden können, um das Chromatin zu öffnen und so die Aktivierbarkeit benachbarter Gene zu verstärken.
Enzym
Ein Enzym ist ein Biomolekül, das die Zelle erzeugt, um eine chemische Reaktion auszulösen. Bekannte epigenetisch aktive Enzyme sind DNA-Methyltransferasen (bauen Methylgruppen an die DNA an) und Histondeacetylasen (entfernen Acetylgruppen von Histonen).
Epigenetik
Die Epigenetik beschreibt und erforscht alle nicht im DNA-Code gespeicherten Informationen, die die Eigenschaften und den Stoffwechsel einer Zelle nachhaltig kontrollieren und bei Zellteilungen ähnlich wie die DNA an Tochterzellen weitergegeben werden können. Für eine ausführliche Erklärung siehe Seite 374 ff.
Epigenom
Die Gesamtheit aller epigenetischen Strukturen des Chromatins innerhalb einer Zelle. Das Epigenom bestimmt maßgeblich mit, welche Gene die Zelle aktivieren kann und welche nicht. Damit definiert es unter anderem die Identität der Zelle, beispielsweise als Haut- oder Nervenzelle. Es dient aber auch als ein zelluläres Gedächtnis für äußere Einflüsse aller Art.
Epigenomik
Die systematische Erforschung der Epigenome von Zellen.
Epigenotyp
Als Epigenotyp bezeichnete der britische Entwicklungsgenetiker Conrad Hal Waddington all jene prägenden Einflüsse, die zum Erscheinungsbild eines Lebewesens beitragen ohne genetischen Ursprungs zu sein (Genotyp plus Epigenotyp gleich Phänotyp).
Erbkrankheiten / genetische Krankheiten
Die Ursache von Erbkrankheiten sind eine oder wenige, oft mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit krank machende genetische Veränderungen (Mutationen), die Menschen über die Keimzellen von einem oder beiden Eltern geerbt haben. Da sie rein genetischen Ursprungs sind, werden diese Krankheiten – etwa familiärer Brustkrebs, Mukoviszidose oder Chorea Huntington – wie die an ihnen beteiligten Gene mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit und nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten vererbt. Es ist Aufgabe der Wissenschaft, neue Strategien gegen diese Leiden zu entwickeln. Der Einfluss der Umwelt spielt hier eine untergeordnete Rolle, weshalb Erbkrankheiten auch nicht zu den multifaktoriellen Leiden zählen, die zentraler Bestandteil des vorliegenden Buches sind.
Gen
Früher bezeichnete man als Gen jenen Abschnitt der DNA-Sequenz, der den Bauplan für ein Protein enthält. Gene definieren als so genannte Erbanlagen spezifische Eigenschaften eines Lebewesens und werden über die Keimbahn an folgende Generationen vererbt. Einer neueren Definition zufolge, sind Gene jene DNA-Abschnitte, die von Enzymen abgelesen und in RNAs mit einer biologischen Funktion übersetzt werden können. Danach fallen auch epigenetisch aktive RNAs wie zum Beispiel Mikro-RNAs unter den Begriff Gen. Der Mensch hat vermutlich rund 23.000 proteinkodierende Gene, aber eine weitaus größere Zahl an DNA-Abschnitten, die epigenetisch wirksame RNA-Moleküle erzeugen können.
Genetik
Die Wissenschaft von der Vererbung (Vererbungslehre). Sie erforscht die Mechanismen und Strukturen der Vererbung.
Genom
Die Gesamtheit der Gene einer Zelle.
Genomik
Die systematische Erforschung der Genome einer Zelle.
Genotyp
Die genetisch bedingten Anteile am Erscheinungsbild eines Organismus (Genotyp plus Epigenotyp gleich Phänotyp).
Genregulation
Die Steuerung der Genaktivität innerhalb einer Zelle. An der Genregulation sind neben epigenetischen Chromatinanpassungen vor allem Transkriptionsfaktoren beteiligt, welche direkt an regulatorische Abschnitte der DNA binden.
Genexpressionsmuster / Genexpressionsanalyse
Das Muster aus den zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiven Genen einer Zelle und der Intensität, mit der sie abgelesen werden. Eine Genexpressionsanalyse erfasst dieses Muster.
Hippocampus
In jeder Hirnhälfte einmal vorkommender Teil des Gehirns, der besonders wichtig für das Gedächtnis und die Verarbeitung von Gefühlen ist.
Histone / Histonmodifikation / Histon-Code
Als Histone bezeichnet man eine Gruppe von basischen Proteinen, die als wichtiger Bestandteil des Chromatins die DNA verpacken und schützen. Es gibt vier verschiedene Histone, die sich – einmal verdoppelt – zu einem Oktamer zusammenlagern. Ein solches Oktamer kann 147 Basenpaare der DNA Doppelhelix aufspulen und bildet dann die Grundeinheit des Chromatins, das Nukleosom. Histone können von der Zelle mit Hilfe von Chromatin-Enzymen vielfältig biochemisch verändert werden. Sie unterliegen der Histonmodifikation. Dabei können sich einzelne Histonmodifizierungen gegenseitig beeinflussen und die biochemischen Veränderungen des Chromatins entweder verstärken oder abschwächen. Die Abfolge und Kombination dieser biochemischen Histonveränderungen entlang des Chromatins wird auch als Histon-Code bezeichnet, denn beides beeinflusst die Aktivierbarkeit der Gene. Die Histonmodifikation ist eines der wichtigsten epigenetischen Systeme. (Für weitere Details siehe die kurze Einführung in die Epigenetik ab Seite 374.)
Hormesis
Die Theorie der Hormesis besagt, dass giftige Substanzen oder andere in größerer Dosis schädliche Einflüsse in geringer Dosierung eine positive Wirkung haben, etwa indem sie den Organismus trainieren, gewöhnen, vorbereiten, widerstandsfähiger machen oder abhärten.
Junk DNA / Müll-DNA
Jene Abschnitte der DNA, die keine proteinkodierenden Gene enthalten oder irgendeine andere Funktion haben. Früher hielt man 98,5 Prozent der DNA für derart nutzlosen „Müll“. Heute weiß man, dass ein gewisser Teil davon sehr wohl wichtig ist, vor allem weil er über epigenetisch wirksame RNA-Moleküle eine Rolle bei der Genregulation spielt.
MAOA-Gen
MAOA steht für Monoaminooxidase A. Das ist ein Enzym, das unter anderem beim Abbau wichtiger Botenstoffe des Gehirns wie Serotonin oder Adrenalin hilft. Epigenetische Veränderungen am Gen für MAOA können an der Entstehung psychischer Krankheiten wie zum Beispiel einer Panikstörung beteiligt sein.
Methylierung / Methylgruppen
Eine Methylgruppe (Me) besteht aus einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoffatomen (CH3). Zellen können viele Proteine mit Hilfe spezieller Enzyme mit einer oder mehreren Methylgruppen versehen. Diesen Vorgang, der die Eigenschaften der Biomoleküle verändert, nennt man Methylierung. Für die Epigenetik sind Methylierungen der Cytosinbasen der DNA (DNA-Methylierung) und die Methylierung der Histon Proteine (Histon-Methylierung) besonders wichtig.
Mikro-RNA
Kurze Form der nichtkodierenden RNA. Mikro-RNAs oder miRNAs sind meist 21 bis 23 Nukleotide lang und können per RNA-Interferenz die Übersetzung einer Boten-RNA (mRNA) in ein Protein behindern.
Nichtkodierende RNA (ncRNA)
RNA-Moleküle, die genau wie Boten-RNAs durch das Ablesen von DNA-Abschnitten entstehen. Da sie aber keinen Code für den Bau neuer Proteine enthalten, werden sie nichtkodierend genannt. Die Funktion einiger nichtkodierender RNAs (ncRNA) ist bislang unbekannt. Die meisten scheinen aber eine wichtige Rolle bei der epigenetischen Genregulation zu spielen. Zum einen hemmen sie per RNA-Interferenz die Übersetzung von Boten-RNAs (mRNA) in Proteine. Zum anderen weisen sie epigenetischen Enzymen den Weg zu bestimmten, zu ihnen passenden DNA-Abschnitten. Die Sequenzen für diese ncRNAs liegen in jenen Abschnitten der DNA, die früher als nutzlose junk DNA angesehen wurden.
Nukleosomen
Siehe Chromatin und Histone.
Oxytocin
Hormon, das bei der Geburt die Wehen auslöst, ansonsten aber eine insgesamt entspannende Wirkung und eine wichtige Bedeutung für die soziale Bindungsfähigkeit hat. Oxytocin wird deshalb auch als Kuschel- oder Bindungshormon bezeichnet.
Phänotyp
Durch Gene und Umwelteinflüsse im Zuge der biologischen Entwicklung entstandenes Erscheinungsbild eines Organismus (Genotyp plus Epigenotyp gleich Phänotyp).
Prägung
Die biologische oder molekulare Prägung ist die nachhaltige Wirkung äußerer Einflüsse auf die molekularen Mechanismen einer Zelle oder eines ganzen Organismus. Im weiteren Sinn ist Prägung der Einfluss von Umwelteinflüssen auf die biologische Entwicklung von Körper und Persönlichkeit.
Prävention
Die Vorbeugung vor negativen Ereignissen oder Prozessen. Bei der Krankheitsprävention geht es darum, möglichst frühzeitig durch eine Unterstützung der Gesundheit dafür zu sorgen, dass Krankheitsrisiken aller Art möglichst langfristig verringert werden.
Protein
Auch als Eiweiß bezeichnete, sehr große Biomoleküle, die aus einer Abfolge von Aminosäuren bestehen und meist in einer charakteristischen Form vorliegen. Der Bauplan der Proteine ist in den Genen gespeichert. Sind die Gene aktiv, produziert die Zelle über die Boten-RNA das entsprechende Protein. Proteine übernehmen sehr viele wichtige Funktionen. Sie wirken zum Beispiel als Enzyme, Hormone oder Zellskelett. Die Kurzform oder Teile eines Proteins werden Peptid genannt.
Resilienz
Die Widerstandsfähigkeit oder Widerstandskraft, meist verwendet im Sinne von psychischer Widerstandskraft. Besonders resiliente Menschen werden durch starke seelische Belastungen nicht so leicht aus der Bahn geworfen wie andere Menschen. Sie bekommen nicht so leicht eine psychische Krankheit.
Rezeptor
Meist auf der Zelloberfläche sitzende Proteine, die sich verändern, sobald ein spezifischer Botenstoff an sie bindet und dadurch eine Reaktion der Zelle auslösen. Glucocorticoid-Rezeptoren reagieren beispielsweise auf das Stresshormon Cortisol und aktivieren über Zwischenschritte in vielen Zellen Gene, die für Proteine kodieren, die zur Stressreaktion des Körpers beitragen.
RNA / Ribonukleinsäure
Mehr oder weniger langkettiges Biomolekül, das wie die DNA aus aneinandergereihten Nukleotid-Basen besteht. RNA kann als doppel- oder einzelsträngiges Molekül vorliegen. Es gibt sehr viele verschiedene Arten von RNA, die innerhalb der Zelle eine Reihe wichtiger Funktionen übernehmen. Für die Genexpression und Genregulation sind zum Beispiel Boten-RNAs und Mikro-RNAs bedeutsam.
RNA-Interferenz
Bei der RNA-Interferenz binden kurze RNA-Stücke an spiegelbildlich zu ihnen passende Boten-RNAs und verhindern gemeinsam mit speziellen Proteinen, dass der Code der Boten-RNAs in Proteine übersetzt wird. Mit diesem wichtigen epigenetischen System kann die Zelle sogar noch rückwirkend die Effektivität eines bereits aktivierten Gens drosseln (posttranskriptionelle Hemmung). Für die Entdeckung der RNA-Interferenz erhielten die US-Amerikaner Craig C. Mello und Andrew Z. Fire im Jahr 2006 den Medizin-Nobelpreis.
Serotonin
Ein wichtiges Hormon sowie ein Botenstoff zur Übertragung von Informationen zwischen Nervenzellen. Je nachdem, wo die Substanz im Körper ausgeschüttet wird und welcher Rezeptortyp sie registriert, kann Serotonin eine sehr verschiedene Wirkung haben. Serotonin beeinflusst das Herz-Kreislauf-System, die Verdauung und das Nervensystem. Im vorliegenden Buch geht es vor allem um die Wirkung im Gehirn, etwa als Bestandteil des Stressregulationssystems. Eine der bekanntesten Wirkungen von Serotonin ist die Verbesserung der allgemeinen Stimmung, weshalb es auch als Glückshormon bezeichnet wird.
Stammzellen / induzierte pluripotente Stammzellen
Stammzellen sind alle Zellen, die noch nicht vollständig ausdifferenziert sind, die sich also noch zu verschiedenen anderen Körperzellen weiterentwickeln können. Pluripotente Stammzellen sind besonders unreife Zellen. Als embryonale Stammzellen kommen sie in den allerersten Stadien des Embryos vor (Blastocyste). Aus ihnen können sich noch sämtliche Zellarten des erwachsenen Organismus entwickeln. Pluripotente Zellen, die durch die künstliche Reprogrammierung ausgereifter Zellen entstanden sind, nennt man induzierte pluripotente Stammzellen, kurz iPS-Zellen. Für die Herstellung der ersten iPS-Zellen erhielt der Japaner Shinya Yamanaka im Jahr 2012 den Medizin-Nobelpreis (gemeinsam mit Sir John B. Gurdon).
Synapse
Die Verbindung zwischen zwei Nervenzellen. Über Synapsen tauschen Nervenzellen Informationen aus, indem sie sich gegenseitig erregen oder hemmen.
Telomere / Telomerase
Die Enden eines Chromosoms, die das Erbgut bei jeder Zellteilung vor Schäden aller Art beschützen, heißen Telomere. Dort befindet sich eine mehrfach wiederholte DNA-Sequenz, die von speziellen Proteinen umhüllt wird. Telomere werden deshalb gerne mit den Schutzkappen am Ende von Schnürsenkeln verglichen. Bei jeder Zellteilung geht ein Teil der Telomere verloren, weshalb man die Strukturen auch als eine Art Lebens-Uhr ansieht. Tatsächlich kann man die Lebenserwartung eines Menschen zumindest sehr grob an der Länge seiner Telomere abschätzen. Vor allem in Stammzellen, aber auch in einigen wenigen anderen Zellen des Körpers, sorgt ein Enzym namens Telomerase nach jeder Zellteilung dafür, dass die Telomere wieder verlängert werden und die Zellen sozusagen jung bleiben. Toxischer Dauerstress verringert die Telomerase-Aktivität und lässt uns vermutlich auch auf diesem Weg rascher altern. Im Jahr 2009 erhielt die Australierin Elizabeth H. Blackburn zusammen mit den US-Amerikanern Carol W. Greider und Jack W. Szostak für die Entdeckung der Telomerase den Medizin-Nobelpreis.
Transkriptionsfaktor
Proteine, die an regulatorische Abschnitte der DNA binden (z.B. an Promotor oder Enhancer), um eines oder mehrere Gene gezielt an- oder auszuschalten oder ihre Aktivität zu verstärken oder abzuschwächen. Transkriptionsfaktoren sind die wichtigsten Elemente der direkten Genregulation. Sie haben aber manchmal auch epigenetisch aktive Enzyme „im Gepäck“ und sorgen so dafür, dass bestimmte Genaktivierbarkeitsmuster längerfristig eingefroren werden können.
Transgenerationelle Epigenetik
Sie beschäftigt sich mit der Vererbung epigenetisch gespeicherter, erworbener Umweltanpassungen an folgende Generationen. Dazu müssen zumindest bei den meisten Tieren und beim Menschen auch die Epigenome der Keimzellen (Spermien und Eizellen) verändert sein. Da diese Epigenome allerdings im Zuge der Keimzellbildung und ein zweites Mal nach der Befruchtung weitgehend gelöscht werden, ist die Existenz der transgenerationellen epigenetischen Vererbung bei Säugetieren umstritten. Dennoch gibt es zunehmend molekulare Belege dafür, dass sie auch dort existiert.
Transposon
Viele dieser eigenartigen DNA-Abschnitte haben keinen festen Platz im Erbgut, sondern werden immer wieder an einer Stelle ausgeschnitten und woanders eingebaut. Manchmal wird ein Stück so genannter transposabler DNA auch zunächst verdoppelt und erst diese Kopie wird an anderer Stellen der DNA erneut eingebaut. Dabei entstehen auch immer wieder neue genetische Varianten. Damit die Transposons keinen Schaden anrichten, werden sie von den Zellen in der Regel epigenetisch auf inaktivierbar gestellt und stummgeschaltet. Im Jahr 1983 erhielt die US-Amerikanerin Barbara McClintock für die Entdeckung dieser „mobilen genetischen Elemente“ den Medizin-Nobelpreis.
Vasopressin
Bekannt ist dieses Hormon vor allem, weil es für den menschlichen Wasserhaushalt wichtig ist. Es fördert die Zurückgewinnung von Wasser aus dem Primärharn und hilft, den Urin zu konzentrieren. Im Gehirn spielt die Substanz aber zusätzlich eine Rolle bei der Stressregulation sowie für Gedächtnis, Emotionen und Sozialverhalten.