Das Genom ist kein unabwendbares Schicksal

Eine sehr lange Zeit waren die Wissenschaftler der festen Überzeugung, dass allein die DNA unser biologisches Schicksal entscheide, dass wir einfach das Ergebnis eines starren, unverändert von einer Generation zur nächsten weitergegebenen genetischen Codes seien, der kaum von äußeren Gegebenheiten oder Lebensereignissen beeinflusst werde. Diese Sichtweise entspricht einem genetischen Determinismus, dem zufolge alles in unseren Genen steckt. Aber die Fortschritte der Forschung der vergangenen Jahrzehnte zeigen eindeutig, dass das genetische Material weitaus komplexer ist als der bloße Gencode und es deutlich mehr Informationen umfasst als jene, die in den Genen festgeschrieben sind. Dies beschreibt den Unterschied, der zwischen der Genetik (dem genetischen Code) und der Epigenetik besteht (dem, was es darüber hinaus gibt, epi bedeutet »darüber«, »darauf«). Diese Einsicht erweiterte das Gebiet der Biologie und lieferte einen neuen konzeptionellen Rahmen, der das zentrale Dogma der Genetik infrage stellte, das mehr als ein Jahrhundert vorgeherrscht hatte.

Wie lässt sich etwa erklären, dass alle Zellen dieselbe genetische Information tragen, denselben Code, es aber Hunderte unterschiedlicher Zelltypen gibt, mit jeweils eigenen Merkmalen und eigenen Funktionen? Eine Hautzelle, eine Darmzelle oder eine Nervenzelle enthalten alle dieselbe DNA. Wie gelingt es ihnen also, sich zu differenzieren und aus sich heraus jene Proteine zu bilden, die für ihre jeweilige Funktion erforderlich sind?

Die britische Genetikerin Denise Barlow (1950–2017) fasste dies in die Worte: »Die Epigenetik ist die Gesamtheit der bizarren und wundersamen Dinge, welche die Genetik nicht zu erklären vermag.« Alice Bomboy und Edith Heard schrieben: »Intuitiv erscheint es offensichtlich, dass es einen Datensatz gibt, der zu der von den Genen gelieferten Information hinzutritt: Er erlaubt die Diversifikation der genetischen Möglichkeiten innerhalb der unterschiedlichen Zelltypen und wird auf stabile Weise über die Zellgenerationen hinweg übertragen, um Organe und funktionelles Gewebe während ihrer Entwicklung zu steuern.«[1] Dieser hinzutretende Datensatz ist die Epigenetik. Die Organismen sind nicht allein durch ihre DNA codiert, sie sind auch dadurch geprägt, auf welche Weise die DNA zum Einsatz kommt, wie sie gelesen und exprimiert wird. Die Regulation der Genexpression ist der Schlüsselmechanismus, der uns verstehen lässt, was Epigenetik ist. Und das Verständnis der Epigenetik ist ein unabdingbarer Schritt, um Antworten auf die wesentlichen Fragen zu unserer Herkunft und zur Vererbung erworbener Eigenschaften geben zu können.

Die Epigenetik: Ein Genom, vielfältige Möglichkeiten

Die klassische Vorstellung von der biologischen Übertragung von Eigenschaften eines Elternteils auf seine Nachkommen bezieht sich auf die genetischen Faktoren. Nach diesem Konzept ist jeder Mensch das Ergebnis seines Genmaterials. Er ist einfach das Resultat Proteine codierender Sequenzen. Dieser Code trägt eine unveränderliche Information, die sich in dieser Form von Generation zu Generation weitervererbt. Das genetische Material allein bestimmt also, wer wir sind, unabhängig von unserer Lebensweise oder der unserer Vorfahren. Doch zahlreiche ältere und jüngere Studien stellen dieses zentrale Dogma der Genetik infrage.

Inzwischen ist es eine wissenschaftlich anerkannte Tatsache, dass die nicht genetischen Faktoren – also die durch die Umwelt veränderlichen Faktoren, welche die Genaktivität steuern, ohne die DNA-Sequenz zu verändern – mitbestimmen, wer wir sind. Bereits in der pränatalen Phase und während des gesamten Lebens wird die Genexpression im weiteren Sinne von der Umwelt beeinflusst. Dieser unablässige Einfluss hat Auswirkungen auf die Entwicklung und das Verhalten des Individuums.

Entgegen der überkommenen Vorstellung bilden das Genom und das Epigenom keinen Gegensatz, sondern stehen in ständiger und vitaler Interdependenz zueinander, wie für den Musiker die Partitur und die Interpretation. Das eine funktioniert nicht ohne das andere, und beides ist gleichermaßen fundamental. Ohne diese Komplementarität gibt es kein Lebewesen und keine Musik. Die ständigen Interaktionen zwischen Genom und Epigenom stehen in Verbindung mit dem Exposom (der Gesamtheit der umweltbedingten »äußeren« und »inneren« Einflüsse, denen ein Mensch während seines gesamten Lebens ausgesetzt ist) und bestimmen das physiologische Gleichgewicht des Organismus.

Über die Ursprünge der Epigenetik

Wenn die Definition des Worts »Epigenetik« mehrere Facetten hat und von verschiedenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unterschiedlich gefasst wird, liegt das zum Teil an den verschiedenen Bedeutungen des Begriffs im Laufe seiner Geschichte. »Diese Mehrdeutigkeiten gehen darauf zurück, dass der Begriff in der Geschichte der Biologie in mehreren Anläufen eingeführt wurde, jedes Mal mit einem anderen Sinn«, erklärt Michel Morange, Biologie-Professor an der renommierten École normale supérieure (ENS) in Paris und Wissenschaftshistoriker, in einem Interview mit der Zeitung Le Monde.[2]

Eine Wurzel des Worts »Epigenetik« liegt in dem sehr alten Begriff »Epigenese«, welcher sogar der Entdeckung der Genetik um Jahrhunderte vorausgeht. Er wurde von Aristoteles, dem berühmten Philosophen der griechischen Antike, im 4. Jahrhundert vor Christus eingeführt. Durch die Beobachtung von Hühnerembryos erkannte Aristoteles, dass sich im Laufe der embryonalen Entwicklung die Formen fortschreitend herausbilden. Der Embryo ist also kein Wesen, das als eine Miniaturversion entsteht, in der alle Organe von Beginn an vorhanden sind, sondern ein sich entwickelnder Organismus, der immer komplexer wird bis hin zu seiner vollständigen Reifung.

Diese Theorie stand damit der Präformationslehre entgegen, der Vorstellung der Entstehung des Embryos als Miniaturwesen, die bis zum Ende des 18. Jahrhunderts vorherrschte. Um sich davon zu distanzieren, verwendete Aristoteles in seiner Schrift Über die Entstehung der Tiere den Begriff »Epigenese«, gebildet aus epi für »darüber«, »darauf« und genesis für »Entstehung«. Aristoteles war also der Allererste, der die Idee propagierte, dass die embryonale Entwicklung durch eine Abfolge von Interaktionen ausgelöst wird, die einen Einfluss auf den Organismus haben. Diese Theorie wurde ab dem 17. und 18. Jahrhundert von verschiedenen Naturwissenschaftlern wieder aufgegriffen, insbesondere von dem Anatomieprofessor und Chirurgen William Harvey, dem Embryologen Caspar Friedrich Wolff und später dem Philosophen und Biologen Hans Driesch.

Doch erst Anfang der 1940er-Jahre trat der Begriff »Epigenetik« wirklich in Erscheinung, und zwar durch die Feder des Entwicklungsbiologen, Paläontologen, Philosophen und Genetikers Conrad Waddington, der von den Arbeiten Jean-Baptiste de Lamarcks inspiriert war.[4] Nach Waddington musste eine Erklärung für den Entwicklungsprozess gefunden werden, die zwischen dem Genotyp, der Gesamtheit der Gene eines Individuums, und dem Phänotyp, der Gesamtheit der bei einem Individuum in Erscheinung tretenden Eigenschaften, eine kausale Verbindung herstellte. Er zielte auf eine Versöhnung zwischen den Forschungen der Genetiker, die Mendel folgend die Funktion der Gene erkundeten, und den Arbeiten der Embryologen, die der Entwicklungstheorie folgend erforschten, wie aus einer befruchteten Eizelle durch fortschreitende Ausbildung der Formen ein komplexer Organismus entsteht. Hiervon ausgehend schlug Waddington vor, die Begriffe »Epigenese« und »Genetik« zu fusionieren, um die »Epigenetik« zu schaffen, deren Forschungsgebiet die Gesamtheit der Mechanismen umfasst, durch welche die Gene die Eigenschaften bestimmen. Epigenetik und Epigenese sind also voneinander abzugrenzende Begriffe, die nicht durcheinandergeworfen werden sollten.

Waddington versuchte zu erhellen, was bislang als Rätsel galt: Wie konnte sich aus einer einzigen Zelle eine so hohe Anzahl und eine derart große Diversität von Zellen des Embryos ergeben? Die naturwissenschaftlichen Fortschritte hatten gezeigt, dass alle unsere Zellen dasselbe Genom besitzen, ganz gleich, ob es sich um Zellen der Haut, des Magens, des Auges, der Leber, des Gehirns oder des Bluts handelt. Das war...