Einleitung

Die Epigenetik zeigt, wie die Umwelt und unsere eigenen Gewohnheiten unsere Genetik und unsere Veranlagung für Krankheiten beeinflussen. Die wichtigsten externen Faktoren, die unsere Epigenetik beeinflussen können, sind Ernährung, Sport und Stress. In diesem Artikel werden wir den Zusammenhang zwischen Epigenetik, Krankheit, Sport und Ernährung untersuchen.

Wie wirkt sich die Epigenetik auf Dich aus?

Epigenetik und Krankheiten

m Jahr 1996 entwickelten zwei eineiige Zwillinge, die dieselbe Mutation in einer Region des X-Chromosoms trugen, unterschiedliche Krankheitsverläufe. Nur einer von ihnen erkrankte an Blindheit, Gleichgewichtsstörungen und Myelinverlust im Gehirn: alles Anzeichen der neurologischen Krankheit Adrenoleukodystrophie (ALD). Damals kamen die Forscher, die über den Fall berichteten, zu dem Schluss, dass nicht-genetische Faktoren die Ursache für die verschiedenen ALD-Phänotypen sein mussten. Heute weiß man, dass dies tatsächlich der Fall war und dass die Ursachen in den unterschiedlichen Epigenomen der Zwillinge lagen.

Danach wurden ähnliche Fälle gemeldet. Da die Epigenetik bei der Regulierung der Ausprägung von Genen eine wichtige Rolle spielt, ist es nicht überraschend, dass sie bei zahlreichen Krankheiten eine Rolle spielt. Da die Epigenetik die Expression von „guten“ und/oder „schlechten“ Genen unterdrücken oder verstärken kann, können epigenetische Defekte mit Krankheiten wie Krebs, Autoimmunerkrankungen, Stoffwechselsyndromen, neuropsychiatrischen Störungen oder sogar Asthma und (Herz-)Gefäßerkrankungen in Verbindung gebracht werden oder diese verursachen. In den nächsten Zeilen werden einige dieser Fälle beispielhaft dargestellt.

Genomische Prägung

Die genomische Prägung ist ein epigenetischer Mechanismus, der festlegt, ob die mütterliche oder die väterliche Kopie eines Gens in den Nachkommen exprimiert wird. In jeder Generation müssen die elternspezifischen Prägemarken gelöscht, zurückgesetzt und erhalten werden. Wenn eine der Kopien „ausgeschaltet“ ist und die andere Kopie defekt ist (z. B. durch eine Mutation), kann dies schwerwiegende Folgen für das Individuum haben. Eine Reihe von Krankheiten und Störungen wurden mit der genetischen Prägung in Verbindung gebracht, z. B. das Angelman-Syndrom, das Prader-Willi-Syndrom und das Beckwith-Wiedemann-Syndrom.

Protein-Mutation

Eine weitere Gruppe epigenetisch bedingter Krankheiten wird durch Mutationen in Proteinen verursacht, die für die Chromatinmodifikation wesentlich sind. Diese Proteine sind direkt an der posttranslationalen Modifikation von Histonen und an der Methylierung der DNA oder als Reader-Molekül dieser Modifikationen beteiligt. So werden beispielsweise Mutationen in den Histon-Acetyltransferasen CREBBP und EP300 mit dem Rubinstein-Taybi-Syndrom in Verbindung gebracht. Mutationen in den Genen DNMT3B und ZBTB24, die für die DNA-Methylierung erforderlich sind, führen zum Syndrom der Immundefizienz, zentromerischen Instabilität und Gesichtsanomalien. Und Mutationen in dem Histonmodifikationsleser MECP2 verursachen das Rett-Syndrom.

Epigenetische Marker

Eine Reihe von epigenetischen Biomarkern wird mit Krebserkrankungen in Verbindung gebracht und für verschiedene klinische Anwendungen genutzt. So wurde beispielsweise die CpG-Methylierung an einer Reihe von Genomstellen präklinisch zur Klassifizierung von Subtypen des Magenkrebses und Subtypen des kolorektalen Krebses verwendet. Die DNA-Methylierung an bestimmten Genen, wie BMP3, NDRG4, SEPT9, wurde von der FDA als Marker für die Diagnose von Darmkrebs zugelassen. Für die Diagnose von Bauchspeicheldrüsenkrebs wurden präklinisch Histonmarker verwendet, z. B. H3K4-Dimethylierung, H3K9-Acetylierung und H3K27-Trimethylierung.

In der Neurologie befindet sich eine Reihe von epigenetischen Markern in der präklinischen Phase. Zum Beispiel die Methylierung des SNCA-Gens für die Diagnose von Parkinson und die Trimethylierung von H3K9 für die Diagnose von Alzheimer. Oder die Metylierung der Gene APP, BACE1, LRP1 und SORL1 für die Prognose der Alzheimer-Krankheit.

Bei Autoimmunkrankheiten könnten epigenetische Marker in Zukunft für die Krankheitsprognose verwendet werden. So wird beispielsweise die Methylierung von Interferon- und Interleukin-Genen für die Prognose von Lupus verwendet.

Die Epigenetik wird auch mit Stoffwechselstörungen wie Typ-2-Diabetes und Adipositas in Verbindung gebracht. Die Ernährung kann unsere Epigenetik stark beeinflussen. Mehr dazu im Blog Beitrag "Die Auswirkung des Fastens auf die Epigenetik".

Wie bereits erwähnt, kann die Identifizierung bestimmter epigenetischer Marker, die mit bestimmten Krankheiten in Verbindung stehen, Mittel zur Diagnose, Überwachung und Entwicklung von Maßnahmen liefern, die das Risiko oder die Belastung durch die Krankheit verringern können. MoleQlar Analytics unterstützt die pharmazeutische Industrie bei der Entdeckung neuer epigenetischer Biomarker und bei der Bewertung der Auswirkungen von Medikamenten und Behandlungen auf die Epigenetik von Personen.

Wie beeinflussen Sie die Epigenetik?

Epigenetik und Sport

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum einige unserer Körper anders reagieren als andere, selbst wenn sie genau dieselbe Übung ausführen? Es hat sich gezeigt, dass die genetische Ausstattung eine große Rolle spielt, wenn untrainierte Personen bestimmte körperliche Aktivitäten ausführen, wobei einige besser und andere schlechter abschneiden [1].

Studien zur Transkriptomik (Untersuchung von RNA-Transkripten) und Proteomik (Untersuchung von Proteinen) haben gezeigt, dass sich unsere Genexpressionsmuster an die Art der sportlichen Betätigung anpassen [1]. So haben beispielsweise Personen, die ihre Ausdauer trainieren, offenbar andere Genexpressionsmuster in der Skelettmuskulatur als Personen, die ihre Kraft trainieren [1]. Aber es geht nicht nur um unseren genetischen Code.

Um die molekularen und systemischen Auswirkungen von körperlicher Betätigung näher zu beleuchten, muss ein wichtiger Aspekt berücksichtigt werden: die Epigenetik. Es wurde nachgewiesen, dass körperliche Betätigung Auswirkungen auf Histonmodifikationen im Muskel- und Hirngewebe sowie auf den DNA-Methylierungsstatus im Muskelgewebe hat [2, 3]. So wurde beispielsweise vermutet, dass körperliche Aktivität zu einer DNA-Methylierung von Genen führt, die an chronischen Entzündungen und der Tumorunterdrückung beteiligt sind[4].

Um auf das Beispiel der Skelettmuskulatur zurückzukommen: Histondeacetylasen (HDAC), Enzyme, die eine Acetylgruppe von einem Histon entfernen, sind dort in erster Linie für die epigenetischen Veränderungen der Histone verantwortlich [2]. HDACs wirken auf die Unterdrückung des Transkriptionsfaktors Myocyte Enhancer Factor 2 (MEF-2), der im Gegenzug die Bildung von langsam zuckenden oxidativen Myofasern unterdrückt [2]. Die Überexpression von MEF-2 durch selektiven Abbau von HDACs im Skelettmuskel von Mäusen förderte jedoch die Bildung von langsamen Myofasern und verbesserte die Laufausdauer, so dass diese transgenen Mäuse fast doppelt so weit laufen konnten wie Wildtyp-Mäuse [2].

Andere Studien haben gezeigt, dass sportliche Betätigung die Expression von Genen und Proteinen des Glukosetransporters (GLUT4) in der menschlichen Skelettmuskulatur erhöht, was im Allgemeinen die Insulinwirkung im ganzen Körper verstärkt [5]. Nach sportlicher Betätigung waren die nukleären HDACs um mehr als die Hälfte reduziert, und die Assoziation der HDACs mit MEF-2 wurde um mehr als ein Viertel verringert [5].

Es gibt mehrere epigenetische Veränderungen, die mit körperlicher Aktivität in Verbindung gebracht wurden. Sie stellen daher potenzielle therapeutische Ziele für verschiedene Erkrankungen dar (z. B. die Regulierung der GLUT4-Expression bei Erkrankungen wie Diabetes Typ 2). Gemeinsam mit Partnern will MoleQlar Analytics unser Verständnis der Auswirkungen von körperlicher Aktivität auf uns und unsere epigenetischen Eigenschaften vertiefen.

Epigenetik und Ernährung

Der Verzehr von Lebensmitteln kann Veränderungen in unserer Epigenetik bewirken und sich dadurch auf die individuelle Gesundheit auswirken, indem er die katalytischen Aktivitäten der Enzyme beeinflusst, die für Schreiben, Löschen und Lesen epigenetischer Veränderungen verantwortlich sind.

Es ist bekannt, dass eine Reihe von Stoffwechselprodukten aus der Nahrung (mit mehr oder weniger wissenschaftlichen Beweisen) die DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen beeinflussen;

So hat sich beispielsweise gezeigt, dass der Verzehr von Concord-Traubensaft die Depressionswerte bei Mäusen verringert, was auf das Vorhandensein von Dihydrokaffeesäure (DHCA) in diesem Getränk zurückzuführen ist. DHCA ist ein Hemmstoff von DNMT1, einem Schreiber der DNA-Methylierung des Gens IL-6, das, wenn es methyliert ist, die Depressionswerte erhöht.

Ein weiterer Inhaltsstoff des Concord-Getränks ist Malvidin-3'-O-Glucosid (Mal-Gluc), das den Stresspegel senkt. Mal-gluc ist ein Inhibitor von HDAC2, einem sogenannten Eraser für Histon-H3-Acetylierungen am Rac1-Gen. Wenn die H3-Acetylierung an diesem Gen hoch ist, sinkt der Stresspegel bei Mäusen.

Ein weiteres Beispiel dafür, wie sich die Ernährung auf unsere Epigenetik auswirkt, wurde bei einem gängigen Lebensmittelkonservierungsmittel gefunden: Natriumbenzoat. Natriumbenzoat wird in unserem Körper metabolisch in Benzoyl-CoA umgewandelt. Es hat sich gezeigt, dass dieses Derivat von Writer-Molekülen verwendet wird, um die Histon-Benzoylierung zu erhöhen. Die Auswirkungen dieser epigenetischen Veränderung sind noch unbekannt.

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, können auch einige andere Metaboliten Veränderungen im Epigenom hervorrufen. Bei MoleQlar Analytics arbeiten wir mit Geschäftspartnern aus der nutrazeutischen Industrie zusammen, um die Auswirkungen von Ernährung und Nahrungsergänzungsmitteln auf die Epigenetik des Einzelnen zu bewerten.