Epigenetik Verändert der Lebensstil die Vererbung?

AUTOR/IN

SWR2 Wissen. Von Michael Lange

Die Epigenetik ist zum populärwissenschaftlichen Mythos geworden. "Was Opa aß, hat Enkel an den Genen" – solche und ähnliche Schlagzeilen sorgten in den vergangenen Jahren für Aufregung. Doch trotz vieler interessanter Studien ist die Beweislage dünn.

Dauer

Bekommen Menschen, die viel in der Sonne liegen, dunkelhäutige Kinder? Die klassische Genetik hatte eine klare Position: Evolution erfolgt nie direkt. Sondern: In einer sonnenintensiven Umwelt haben dunkelhäutige Menschen bessere Überlebens- und damit Fortpflanzungschancen. Nur so setzen sich im Lauf der Zeit die entsprechenden Gene durch – aber einen direkten Einfluss gibt es nicht. Ein Sonnenbrand wirkt sich nicht auf die Keimbahn aus, und wer viel Sport treibt, macht seinen Nachwuchs dadurch nicht zum Athleten.

Seit Jahren geistert nun das Schlagwort der „Epigenetik“ durch die Wissenschaft. Die Epigenetik stellt das klassische Dogma in Frage. Sie sagt: Eine Weitergabe erworbener Eigenschaften ist doch möglich. Als es die ersten Forschungen dazu gab, wurde das in manchen Medien dargestellt, als hätte Lamarck doch über Darwin gesiegt.

Jugendliche zwischen Bäumen (Foto: © Colourbox.com -)
Eltern, die viel in der Sonne liegen, bekommen nicht automatisch dunkelhäutige Kinder © Colourbox.com -

Warum Giraffen lange Hälse haben

Der französische Naturforscher Jean-Baptiste de Lamarck hatte lange vor Darwin seine Ideen zur Evolution der Arten formuliert. In allgemeiner Erinnerung geblieben ist nur sein Beispiel der Giraffe. Nachdem die Giraffen ihren Hals immer höher streckten, um an die saftigen Zweige in den Baumkronen zu gelangen, wurden die Hälse von Generation zu Generation länger – so könnte es jedenfalls gewesen sein, meinte Lamarck.
Dann kam Darwin und begründete sein Prinzip, dass Evolution durch zufällige Mutationen der Erbanlagen erfolgt – erworbene Körpereigenschaften schlagen nicht auf die Keimbahn durch. Dem folgten die Genetiker – und als die DNA als Träger der Erbsubstanz identifiziert war, fühlten sie sich bestätigt. Die Gene, die DNA der Keimzellen verändert sich nicht, wenn jemand Sport treibt.

Giraffen - Kuss (Foto: Getty Images, Thinkstock -)
Die Hälse der Giraffen: Vielzitiertes Beispiel von Lamarck Thinkstock -


Sagt die Epigenetik jetzt wieder etwas anderes? Sie sagt jedenfalls nicht, das Lamarck mit seinen Giraffenhälsen doch recht hatte. Sie sagt vor allem: Wie Gene wirken, hängt nicht nur von der DNA ab.
Thomas Jenuwein ist einer der wenigen Professoren für Epigenetik in Deutschland und forscht am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg. Er weiß: Ob und wie Gene arbeiten, hängt auch davon ab, wie sie „verpackt“ sind. Die Verpackung entscheidet letztlich, ob und wie die genetische Information umgesetzt wird – auch darüber, ob Gene aktiv sind oder nicht.
Deshalb „Epi“: Die Vorsilbe kommt aus dem Griechischen, und bedeutet „auf“ oder auch „daneben“. Die Epigenetik beschreibt, was sich im Erbgut neben der DNA selbst verändern kann.

Mechanismen der Epigenetik: Die Proteinverpackung

„Der DNA-Faden in einer Zelle liegt nie nackt vor“, sagt Jenuwein. „Er ist verpackt über Proteinkugeln. Und diese Proteinkugeln erlauben, dass um eine Kugel circa 147 Basenpaare aufgewickelt werden.“ Ein Zellkern enthält über 10.000 dieser Proteinkugeln. Und auch diese Proteine steuern die DNA:
„Wenn die Proteinkugeln den DNA-Faden nur dünn verpacken, dann ist die DNA zugänglich und Gene können aktiviert werden. Bei dichter Verpackung ist die DNA nicht zugänglich.“ Die Gene können dann nicht angeschaltet werden und bleiben inaktiv.
Die Erbinformation auf der DNA ist immer gleich. Egal, ob eine Zelle zur Muskel-, Haut-, Leber- oder Nervenzelle wird. Erst die Verpackung bestimmt, was für eine Zelle im Körper entstehen soll: Eine Muskel-, eine Nerven-, eine Hautzelle?

Ein DNA-Strang wirft einen Schatten auf eine Wand (Foto: Getty Images, Thinkstock -)
Die DNA - Träger der Erbinformation Thinkstock -

Manche Gene sind in allen Zellen aktiv: Die, die wichtig sind für Stoffwechsel, Zellteilung und Reparaturmechanismen. Sonst geht die Zelle kaputt. Andere Gene dagegen sind zelltyp-spezifisch. In einer Leberzelle sind andere Gene aktiv als in einer Nervenzelle.
Methylgruppen: Die chemischen Rucksäcke
Ein anderes Steuerungselement sind kleine chemische Anhängsel am Erbmolekül DNA, so genannte Methylgruppen. Sie sitzen wie ein Mini-Rucksack an bestimmten Positionen auf dem Erbmolekül.

Die Verpackung vererbt sich bei der Zellteilung von einer Zellgeneration an die nächste. Das ist eine Seite der Epigenetik. Die unumstrittene Seite. Die andere ist, wie Umwelteinflüsse auf diese Mechanismen wirken. Das kann einzelne Zellen betreffen, aber auch ganze Organismen wie den Menschen.
Es gibt nicht viele belegte Beispiele für eine Weitergabe erworbener Eigenschaften beim Menschen. Eines beschrieb der Neurobiologe und Wissenschaftsjournalist Peter Spork 2009 in seinem Buch „Der zweite Code“: Die Wirkung von Hunger.

Suchtgefahr durch Hunger

In den letzten Kriegsmonaten 1945 sank die durchschnittliche Tagesration der Niederländer auf unter 1.000 Kalorien. Zeitweilig aßen sie nichts als Suppe aus Kartoffelschalen. Die Folgen dieser Notzeit entdeckten Wissenschaftler aus Rotterdam nicht nur bei den Betroffenen, die den Hungerwinter miterlebt hatten, sondern auch in der folgenden Generation.
„Waren werdende Mütter während des Hungerwinters im ersten Drittel ihrer Schwangerschaft, haben ihre Kinder bis heute ein erhöhtes Risiko drogenabhängig zu werden“, schreibt Spork. „Die Forscher vermuten eine epigenetisch fixierte Fehlentwicklung jener Teile des Gehirns, die das spätere Suchtverhalten steuern.“
Die Betonung liegt auf vermuten: Auf bestimmte Gemeinsamkeiten bei den Nachfahren der betroffenen Mütter zu stoßen, ist das eine – die epigenetischen Mechanismen, die dafür verantwortlich sind, sind damit aber nicht identifiziert.

Es ist jedoch möglich, dass sich die Wirkung der Epigenetik nicht auf die nächste Generation beschränkt. Die Folgen einer körperlichen oder psychischen Belastung der Eltern finden sich gelegentlich neben den Kindern auch bei den Enkeln.
Was aber folgt daraus? Müssen wir wieder mehr wie Lamarck denken und weniger wie Darwin? Der Evolutionsbiologe Axel Meyer von der Universität Konstanz gibt gleich Entwarnung:
„Mein Eindruck ist, dass die epigenetischen Veränderungen nach zwei oder drei Generationen spätestens wieder verloren gegangen sind“. Auch nach den neuen Erkenntnissen bestimme die DNA den Menschen weitaus stärker als die epigenetische Verpackung.
Dirk Schübeler am Friedrich Miescher-Institut für biomedizinische Forschung in Basel glaubt, dass die Epigenetik manche Langzeiteffekte erklären könnte. „Das ist jedoch schwer nachzuweisen.“

Frau mit geschlossenen Augen, fasst sich mit der Hand an die Stirn (Foto: © JupiterImages Corporation -)
Forscher untersuchen, ob sich Stress auf spätere Generationen auswirken kann © JupiterImages Corporation -

Nicht jeder Umwelteinfluss, der sich langfristig oder sogar auf mehrere Generationen auswirkt, muss mit Vererbung durch Epigenetik zusammenhängen. Oft werde die Wirkung der Epigenetik überschätzt, warnt Schübeler.
„Der Organismus reagiert auf Umwelteinflüsse. Dazu brauchen wir erstmal keine Epigenetik. Wir wissen, dass Erziehung und Ernährung die Verhaltensweise stark prägen. Auch das muss nichts mit Epigenetik zu tun haben. Das kann auch schlicht die Ernährung in der Kindheit sein.“
Das Zusammenwirken von Nervensystem, Stoffwechsel und Epigenetik ist beim Menschen nur schwer zu erforschen. Um Veränderungen kennen zu lernen, sind Wissenschaftler auf Tierversuche angewiesen.

9/11 als Laborstudie

Forscher am Salk-Institut in Kalifornien haben die Epigenetik ihrer Versuchstiere gezielt verändert und dadurch deren Leben verlängert. Sie beseitigten bestimmte Methylgruppen auf der DNA der Tiere. Reife Körperzellen der Tiere wurden so zu unreifen Stammzellen. Die veränderte Epigenetik wirkte wie ein Jungbrunnen, der die Lebenszeit der Tiere um 50 Prozent verlängerte.
Bei den Versuchstieren handelte es sich allerdings um einen besonderen Mäusestamm, der im Labor durchschnittlich nur vier Monate alt wird. Die epigenetisch manipulierten Mäuse wurden durchschnittlich sechs Monate alt. Verglichen mit normalen Labormäusen, die über zwei Jahre alt werden, ist das eine kurze Lebensdauer.
Wissenschaftler nutzen außerdem Ausnahmesituationen, wie den Terroranschlag auf das World Trade Center in New York. Peter Spork schreibt darüber in seinem Buch „Der zweite Code“.

„Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München haben zwanzig Augenzeugen der Terroranschläge vom 11. September 2011 untersucht, die aus unmittelbarer Nähe erlebt hatten, wie die zwei Flugzeuge in das New Yorker World Trade Center flogen und deshalb bis heute unter schweren seelischen Folgen leiden. Beim Vergleich mit einer gleich großen Gruppe von Augenzeugen, die keine psychischen Folgen erlitten, kam heraus, dass bei den Betroffenen eine große Zahl von Stress-Genen überaktiv war, während bei den anderen Probanden keine höhere Aktivität festgestellt werden konnte.“
Die Verpackung der Gene in den Zellen der traumatisierten Augenzeugen hatte sich durch das schreckliche Erlebnis verändert. Die Gene sind unverändert geblieben, aber die Genaktivität, die Epigenetik, war nicht mehr dieselbe.



Um die Auswirkungen psychischer Traumata auf die Epigenetik beim Menschen zu erforschen, hat der Evolutionsbiologe Axel Meyer von der Universität Konstanz zusammen mit Psychologen Kinder untersucht, die aus traumatisierten Schwangerschaften kamen. Kinder, deren Mütter während der Schwangerschaft misshandelt oder in den Balkankriegen traumatisiert wurden. „Wir haben dann gesehen, dass man bei Kindern bis zu einem Alter von zwanzig Jahren statistische Unterschiede finden kann im Methylierungsmuster von einem bestimmten Gen, das bei Stress eingeschaltet ist.
Das Verhalten der Kinder wird durch die psychische Belastung der Mutter maßgeblich beeinflusst. Sie reagieren empfindlich auf Stress, sind leicht reizbar und neigen zu Aggressivität. Um herauszufinden, wie die Steuerung der Gene langfristig verändert wird, untersuche Axel Meyer ähnliche Prozesse bei Fischen. Mit dabei auch seine Kollegin Amber Makowicz, die eigens aus Oklahoma nach Konstanz kam.

Das Fisch-Experiment

Sie setzen die Fischen unter einen gewissen Stress – indem sie Geruchsstoffe ins Wasser gaben, die den Fischen vortäuschten, es sei ein Raubfisch in der Nähe. Im Bauchraum der gestressten Fische wächst bereits die nächste Generation heran. Sie wird ebenso gestresst wie die Mütter.
„Unsere noch vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die Umwelt der Weibchen die epigenetischen Markierungen bei der nächsten Generation verändert.“ Das war zu erwarten. Doch was ist mit der dritten Generation, die überhaupt keinen Stress erfährt? Das will Amber Makowicz herausfinden – noch ist der Beweis nicht erbracht.
Aber es gibt schon Forschungsergebnisse, die in diese Richtung deuten. Immer wieder finden Wissenschaftler Hinweise auf eine mögliche Vererbung erworbener Eigenschaften, sogar beim Menschen. Eine Studie schwedischer Sozialwissenschaftler ist heute allgemein bekannt. Sie entwickelte sich regelrecht zu einem Mythos der Epigenetik.

"Opa ist an allem Schuld"

Överkalix heißt die kleine Gemeinde in Nordschweden. Dort beginnt Bernhard Kegel sein 2009 erschienenes Buch „Epigenetik – Wie Erfahrungen vererbt werden.“ Das Gemeinderegister von Överkalix gibt genauestens Auskunft über Ernten, Hungersnöte, sowie Krankheiten und Lebensdauer seiner Bewohner. Die Auswertung der Daten lieferte eine große Überraschung.
„Nicht das Hungern des Großvaters, sondern der Nahrungsüberfluss verkürzte das Leben seiner Enkel um viele kostbare Jahre. Dagegen erhöhte sich deren Lebenserwartung in etwa demselben Maß, wenn Großvater Not leiden musste. Für die Generation der Enkel ging es dabei nicht nur um ein paar Wochen oder Monate. Zwischen den Extremen lagen 32 Jahre, nicht weniger als ein halbes Menschenleben.“

Zeichentrick: Oma und Opa stehen mit Enkeln und Enkelin am Arm in Arm (Foto: SWR, SWR -)
Leben die Enkel länger, wenn die Großeltern längere Hungerphasen überstehen mussten? SWR -


Seit 2002 wird immer wieder über diese Vererbung jenseits der Gene berichtet. „Opa drückt Enkeln den Stempel auf“ oder „Und Opa ist an allem Schuld“ lauten typische Überschriften. Was in Medienberichten bereits als Gewissheit erscheint, ist unter Wissenschaftlern nach wie vor umstritten. Das weiß auch der Epigenetiker Thomas Jenuwein.
„Bei Menschen kann man das nicht sagen. Man kann es auch bei einem anderen Säuger, bei der Maus, noch nicht definitiv sagen, obwohl auch da sich die Erkenntnisse von Monat zu Monat verdichten, dass es hier die Weitergabe einer erworbenen Eigenschaft gibt.“
Eindeutiger ist die Situation bei Pflanzen. Hier ist die Weitergabe epigenetischer Informationen über 50 Generationen schon nachgewiesen worden.

Vom Körper zur Keimbahn?

Die Frage bleibt: Wenn erworbene Eigenschaften wirklich weiter gegeben werden – wie kommen die Informationen vom Körper in die Keimbahn? Von einer Nervenzelle in die Samenzelle?
Hier geben die Untersuchungen an Pflanzen mögliche Hinweise: RNA-Moleküle schwimmen in feinen Wasserkanälen durch die Pflanzen. So gelangen sie von den Blättern zu den Wurzeln und auch zu den Samen. Dieser Transport vom Körper zur Keimbahn ist in Pflanzen einfacher als in Säugetieren. Aber auch bei Mäusen und Menschen könnte der Weg in die nächste Generation über die RNA führen, vermutet Thomas Jenuwein. Er stellt sich den Prozess so vor:
„Es kommt ein Umweltsignal zu einer Körperzelle. Einige Gene werden angeschaltet. Die angeschalteten Gene erzeugen die Boten-RNA. Ein Teil dieser Boten-RNA tritt aus der Körperzelle aus und gelangt in die Keimbahn und markiert dort die gleichen Genabschnitte, von denen sie erzeugt wurde.“ Bei Mäusen haben Forscher aus der Schweiz jetzt Hinweise gefunden, dass die Informationsweitergabe so oder so ähnlich erfolgen könnte.

Keine Marionetten unserer Gene

Doch Marc Bühler vom Friedrich Miescher Institut für biomedizinische Forschung in Basel ist skeptisch. Er ist Experte für RNA und beschäftigt sich in seiner Forschung mit der Mikro-RNA als Informationsüberträger bei Hefen.
„Gewisse Organismen wie Pflanzen oder Hefen oder Würmer, die machen das. Aber man versteht den Mechanismus noch extrem wenig. Schon gar nicht bei Säugetieren.“
Obwohl er selbst mit RNA als Informationsüberträger forscht, hält Marc Bühler die Vererbung von Generation zu Generation via RNA bei Menschen für so gut wie ausgeschlossen.

Grafik: Sperma schwimmen auf Eizelle zu. (Foto: Getty Images, Thinkstock -)
Spermien schwimmen mit Hilfe von Geißeln zur Eizelle. Epigenetische Informationen gehen dabei eigentlich verloren. Thinkstock -

„Mentaler Stress findet im Gehirn statt. Das müsste dann Auswirkungen haben auf die Keimbahn. Wie das gehen soll, ist extrem schwierig, sich vorzustellen. Und wenn ein Spermium eine Eizelle befruchtet, werden fast alle epigenetischen Muster ausradiert. Alle Informationen werden neu aufgesetzt.“
Noch gibt es keinen wissenschaftlichen Grund für Vorwürfe an unsere Großeltern. Opa ist eben nicht an allem Schuld.
Aber die Epigenetik äußert sich auch nicht nur zur Weitergabe an die nächste Generation. Sie beschreibt auch, wie frühe Umwelteinflüsse das Leben eines Organismus prägen. Und hier liefert sie gute Argumente, um das eigene Leben und den eigenen Lebensstil bewusst zu gestalten. Denn wir sind nicht die Marionetten unserer Gene.

AUTOR/IN
STAND