Der Über-Code der DNA: epigenetische Mechanismen und deren Bedeutung für die Entstehung von Krankheiten

Einleitung: Definition von Epigenetik

Der Einführung des Begriffs „Epigenetik“ wird zurückgeführt auf Conrad H. Waddington (1905–1975) [1, 2], der diese Subdisziplin der Genetik beschrieb als “the branch of biology which studies the causal interactions between genes and their products which bring the phenotype into being”. Die aus dem griechischen übernommene Vorsilbe epi (επτ-) bedeutet in etwa „oberhalb“ (oder über, außerhalb, um…herum, zusätzlich). Schon diese Wortwahl, die C. Waddington noch vor der Beschreibung der Struktur der DNA nutzte, deutet darauf hin, dass epigenetische Mechanismen die in der Sequenz der DNA kodierte Information modifizieren oder sogar überschreiben können. Dabei determinieren epigenetische Mechanismen vererbbare Merkmale (Phänotypen) einer Zelle, die nicht in der DNA-Sequenz (Genotyp) kodiert sind. Die aktuellen Definitionen von Epigenetik (siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/Epigenetik) variieren leicht. Gemeinsam ist ihnen auf der einen Seite eine Abgrenzung der Epigenetik zur DNA-Sequenz, auf der anderen Seite zu Mechanismen der Regulation der Genexpression im Allgemeinen. Eine heute häufig verwendete Definition beschreibt die Epigenetik als „alle meiotisch und mitotisch vererbbaren Veränderungen in der Genexpression, die nicht in der DNA-Sequenz selbst kodiert sind“ [3].

Konzeptionell wissenschafts-philosophisch wird die Epigenetik gerne, im Sinne einer Lamarck’schen Sichtweise der Evolution [4], der eher deterministischen oder synthetischen (genetischen) Darwin’schen Evolutionstheorie gegenüber gestellt. Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829) hatte am Beispiel der Länge von Giraffen-Hälsen postuliert, dass Tiere im Laufe des Lebens erworbene Eigenschaften an ihre Nachkommen weitervererben können: „Alles, was die Tiere durch den Einfluss der Verhältnisse, denen sie während langer Zeit ausgesetzt sind, und folglich durch den Einfluss des vorherrschenden Gebrauchs oder konstanten Nichtgebrauchs eines Organs erwerben oder verlieren, wird durch die Fortpflanzung auf die Nachkommenschaft vererbt“. Interessanterweise hatte schon lange vor Lamarck der griechische Philosoph Aristoteles (384-322 v. Chr.) beschrieben: „Die Kinder werden ihren Elternähnlich geboren ... Und zwar zeigt sich dieÄhnlichkeit nicht nur in angeborenen, sondern auch in erworbenen Eigenschaften“. Heute weiß man, dass zahlreiche Umweltfaktoren die DNA epigenetisch modifizieren können. Die Weitergabe entsprechender epigenetischer Modifikationen von Eltern an die Kinder rückt zunehmend in den Fokus der Wissenschaft, z.B. zur Erklärung von Transgenerationen-Effekten oder der fetalen Programmierung [5–9].

Epigenetische Mechanismen

Genetische Informationen werden klassisch in der Sequenz der DNA gespeichert. Bei den epigenetischen Informationen treten hingegen andere Kodierungen an die Stelle der DNA-Sequenz (Abbildung 1). So wird die epigenetische Information im Methylierungsmuster der DNA, im Modifikationsmuster der Histone, im Expressionsmuster von nicht codierenden RNAs (ncRNAs) sowie in der Positionierung der Gene im Zellkern (nuclear positioning) gespeichert. Aber auch die zelluläre Nutzung spezifischer Histonvarianten sowie durch Änderung der Position von Nukleosomen auf der DNA zählen zu den epigenetischen Modifikationen [10].

Abbildung 1

Epigenetische Modifikationen.

Epigenetische Informationen werden im Muster der kovalenten DNA-Modifikationen (1, 2), der Histone (3), der Nutzung von Histonvarianten (4), dem Expressionsmuster von ncRNA (5) sowie der Lokalisation der Gene im Nukleus (6) gespeichert.

Die DNA-Methylierung ist ein postreplikativer Prozess, in dem Cytosine in der DNA durch DNA-Methyltransferasen in 5-Methyl-Cytosin umgewandelt werden. Dabei sind vor allem Cytosine betroffen, die sich in einem CG Dinukleotid befinden (CpG Methylierung) [11]. Insbesondere in embryonalen Stammzellen tritt allerdings auch eine non CpG Methylierung auf. Als Methylgruppen-Donor dient S-Adenosyl-Methionin (SAM). Bei der DNA-Demethylierung kommt den Proteinen der TET-Familie eine besondere Bedeutung zu [12]. Diese Proteine wandeln 5-Methylcytosin in 5-Hydroxymethylcytosin um, das als mögliches Zwischenprodukt der DNA-Demethylierung gilt [13].

Die DNA liegt im Zellkern keinesfalls frei und unorganisiert vor. Vielmehr ist sie mit Proteinen assoziiert, speziell mit Histonen. Dabei bilden jeweils zwei Moleküle H2A, H2B, H3 und H4 zusammen ein Histonoktamer, um das sich 146 bp der DNA mit jeweils 1,8 Windungen herumlegen [14]. Dieses ist die kleinste Verpackungsstruktur der DNA, das sogenannte Nukleosom. Insbesondere die Aminosäuren an den Enden der Histone können enzymatisch reversibel modifiziert werden. So können Serine und Threonine phosphoryliert, oder Lysine und Arginine methyliert, acetyliert oder ubiquitiniliert werden. Diese Modifikationen beeinflussen die Interaktion der Histone mit der DNA und können auf diese Weise den Verpackungsgrad der DNA steuern. Eine starke Interaktion der Histone mit der DNA verringert die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren oder andere Enzyme und kann auf diese Weise mit der Aktivität des Chromatins interferieren [15–17].

Die Modifikationen von DNA und Chromatin werden durch unterschiedliche Enzyme katalysiert und von verschiedenen Proteinen interpretiert. Zur Systematisierung der Funktion der verschiedenen die epigenetische Information kodierenden und lesenden Proteine werden diese unterteilt in epigenetic writer, epigenetic eraser und epigenetic reader. Epigenetic writer wie DNA-Methyltransferasen, Histonmethyltransferasen oder -Acetylasen setzen Modifikationen, während epigenetic eraser wie Histondemethylasen oder -Deacetylasen solche Modifikation entfernen. Epigenetic reader (z.B. die Familie der methyl binding domain proteins) schließlich erkennen und/oder binden die epigenetischen Modifikationen und können ggf. weitere Proteine requirieren [18, 19]. Darüber hinaus kommt den chromatin remodelers, die die Struktur des Chromatins und die Lage des Nukleosoms auf der DNA verändern können, sowie den insulators, die funktionell unterschiedliche Region des Chromatins trennen können, eine wichtige Rolle bei der Umsetzung der epigenetischen Genexpressions-Kontrolle zu [20].

Zusätzlich zu diesen „epigenetischen Kernmodifikationen“ wird häufig auch das Expressionsmuster nicht-Kodierender RNAs (ncRNAs) zu den epigenetischen Kontrollmechanismen gezählt. Zu den ncRNAs gehören unter anderem die miRNAs, die an komplementäre mRNA im Cytoplasma binden und so die Translation der betreffenden mRNA unterbinden können [21]. Darüber hinaus gibt es eine zunehmende Zahl unterschiedlicher Klassen nicht-kodierender RNAs, wie lncRNAs, circRNAs oder piRNAs [22–24]. Ihre noch bei weitem nicht vollständig verstandenen Funktionen reichen von der Regulation der Genexpression über die X-Inaktivierung bis zur Kontrolle der chromosomalen Integrität.

Dem epigenetischen Mechanismus des nuclear positioning liegt u.a. zugrunde, dass aktive Gene bevorzugt im Zentrum des Nukleus, inaktive bzw. weniger stark transkribierte Gene in der Peripherie des Zellkerns lokalisiert sind. Mittels molekularzytogenetischer Methoden und funktioneller Analysen lassen sich im Zellkern unterschiedliche chromosomale und funktionelle Territorien unterscheiden. Vermutlich verfügen diese über eine differentielle Proteinausstattung, die die Aktivität der jeweiligen Gene beeinflusst [25].

Die Aufgaben der Epigenetik und der mit ihr einhergehenden Modifikationen sind sehr vielfältig. Eine wichtige Funktion ist die Kontrolle der Genexpression. So finden sich andere epigenetische Signaturen bei Genen, die exprimiert werden, im Vergleich zu Genen, die reprimiert werden [16, 17, 21, 25, 26]. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere die Transkriptions-Startpunkte aktiver Gene eher unmethyliert sind. In regulatorischen Bereichen dieser exprimierten Gene finden sich charakteristische Muster von Histon-Modifikationen (beispielsweise K9H3ac und K4H3me), während inaktives Chromatin durch andere epigenetische Marker charakterisiert ist (z.B. DNA-Methylierung im Bereich der Transkriptions-Startpunkte, K3H9me3 und K27H3me3). Nach einem gängigen Modell ist die DNA in inaktivem Chromatin sehr viel weniger zugänglich für Transkriptionsfaktoren und Enzymkomplexe als in aktivem Chromatin. Auf vergleichbare Weise werden nicht nur zelluläre Gene reguliert. Auch „parasitische“ Sequenzen werden auf diese Weise inaktiviert. Zu solchen parasitischen Sequenzen gehören z.B. retrovirale Elemente, deren Anteil am humanen Genom sich im Laufe der Evolution immerhin zu etwa 9% aufsummiert hat. Zudem verhindern epigenetische Prozesse die Aktivierung von transposablen Elementen sowie die Rekombination repetitiver Elemente. Beides erklärt die Bedeutung epigenetischer Modifikationen für die Integrität des humanen Genoms [27].

Aber auch für die elterliche Prägung von Genen, dem sog. „Imprinting“, sind epigenetische Prozesse von Bedeutung. Abgesehen von den gonosomalen Genen besitzt der Mensch von allen Genen in der Regel zwei Kopien, von jedem Elternteil jeweils eine. Diese Kopien werden beide exprimiert, sind somit in den meisten Fällen funktionell „gleichwertig“. Auf diese Weise kann der Ausfall der Expression eines Gens in vielen Fällen zumindest teilweise kompensiert werden. Der Begriff „Imprinting“ bezeichnet die unterschiedliche Expression eines Gens, je nachdem, ob es mütterlicher oder väterlicher Herkunft ist. Die Kopien solcher geprägter Gene weisen ein je nach elterlicher Herkunft spezifisches epigenetisches Muster auf, wobei insbesondere die DNA-Metyhlierung gut untersucht ist: Von einem Teil der imprinteten Genen ist immer die paternal vererbte Kopie methyliert, von anderen Genen die maternal vererbte Kopie. Damit ist auch immer nur eine Genkopie aktiv und die beiden parentalen Kopien sind funktionell nicht mehr gleichwertig [28]. Epigenetische Alterationen an ein und demselben Gen können so gegensätzliche Phänotypen nach sich ziehen.

Methoden zum Nachweis epigenetischer Modifikationen

Epigenetische Modifikationen weisen sehr unterschiedliche Charakteristika auf. Diese reichen von der kovalenten Modifikation von DNA und mit ihr assoziierter Proteine, über das Expressionsmuster von ncRNA bis hin zur Topologie und Lokalisation der Gene im Nukleus. Entsprechend umfangreich ist das Methodenspektrum, um diese Modifikationen zu analysieren (Tabelle 1).

Limitationen beim Nachweis epigenetischer Modifikationen

Insbesondere beim Nachweis epigenetischer Modifikationen in klinischen und diagnostischen Fragestellungen ist zu beachten, dass diese Veränderungen z.T. Gewebe-spezifisch sind [34] und dass das Ausgangsmaterial für diese Analysen geeignet ist. Während einige Analyte für epigenetische Untersuchungen, wie die DNA, relativ stabil sind und eine Lagerung nach der Isolierung des Materials eher unkritisch ist, degradieren andere Analyte (RNA) sehr viel schneller. Auch die Fixierung das Materials hat starken Einfluss auf die Analysen: während einige Analysen (z.B. DNA-Methylierung) problemlos auch an FFPE Material möglich sind, ist für andere Untersuchung entweder Frischmaterial oder kryo-präserviertes Material notwendig. Die Gewebespezifität epigenetischer Modifikationen führt dazu, dass einige krankheits- und phänotyp-relevante epigenetische Modifikationen nur in bestimmten Geweben vorhanden bzw. nachweisbar sind. Aus diesem Grunde kann auch peripheres Blut keinesfalls immer als „Normalkontrolle“ für andere Gewebe dienen. Im Gegenteil zeigen die unterschiedlichen Zelltypen des Blutes ebenfalls ein spezifisches epigenetisches Muster, so dass Veränderungen der Zelltyphäufigkeiten im Blut Veränderungen im Epigenom vortäuschen können. Darüber hinaus gibt es interindividuelle Unterschiede in epigenetischen Modifikationen, die z.B. durch cis-aktive genetische Modifikationen bedingt sein können (z.B. Allel-spezifische Methylierung) [35]. Eines der besonderen Charakteristika epigenetischer Modifikationen, ihre Beeinflussbarkeit durch Umweltfaktoren, kann zudem den diagnostischen Einsatz deutlich erschweren, da z.B. Alters-, Ernährungs- oder anderweitig Umwelt-bedingte Confounding-Effekte regelmäßig beobachtet werden [36–38]. Deshalb sollten diesbezügliche gematchte Kontrollen eingesetzt werden. Schließlich sind auch experimentelle Limitationen zu bedenken: so können z.B. in einer PCR unterschiedlich methylierte Allele nach Bisulfit-Modifikation aufgrund der dann unterschiedlichen Sequenz auch unterschiedlich gut amplifiziert werden. Dies kann über eine selektive Amplifikation dazu führen, dass der Anteil methylierter DNA in einer Untersuchungsprobe artifiziell falsch eingeschätzt wird. Die Verwendung entsprechender Kontrollen mit bekanntem Modifikationsgrad (z.B. in vitro voll methylierte DNA, mittels whole genome amplification generierte unmethylierte DNA, Verdünnungsreihen) sollte deshalb in Erwägung gezogen werden.

Beispiele für epigenetisch bedingte monogene bzw. Locus-spezifische Erkrankungen

Monogene Erkrankungen lassen sich auf Alterationen in nur einem Gen zurückführen. Inzwischen ist beim Menschen eine Reihe monogener Erkrankungen bekannt, die durch Mutationen in Genen bedingt sind, deren Produkte an der DNA-Methylierung oder der Modifikation des Chromatins beteiligt sind [39]. Ein Beispiel ist das durch Immunschwäche, Instabilität der Zentromerregion einiger Chromosomen und faziale Anomalien charakterisierte ICF-Syndrom, das auf biallelischen Mutationen des für eine DNA-Methyltransferase kodierenden DNMT3B Gens beruht (MIM: 242860). Für dieses Syndrom konnte gezeigt werden, dass der Funktionsverlust von DNMT3B zu einer veränderten DNA-Methylierung in den heterochromatischen Regionen der Chromosomen 1 und 16 führt [40, 41]. Ein anderes Beispiel für ein mit der DNA-Methylierung assoziiertes Krankheitsbild ist das Rett-Syndrom, bei dem sich Veränderungen des MeCP2 Gens finden, das für ein an methylierte DNA-bindendes Protein kodiert (MIM:312750) [41].

Monogene Erkrankungen, die auf Mutationen in Chromatin-Modifikatoren beruhen, scheinen eine deutlich höhere Prävalenz zu haben als solche, die auf direkt mit der DNA-Methylierung interagierenden Genprodukten beruhen. So finden sich beispielsweise beim Rubinstein-Taybi-Syndrom Mutation in den Genen für CREBBP bzw. EP300, welche eine Histon-Acetyltransferase (HAT)-Aktivität besitzen (MIM:180849, 613684) [42]. Beim Weaver-Syndrom finden sich Mutationen in dem für eine Histon-Lysin-Methyltransferase (HMT) kodierenden EZH2-Gen (MIM:614421) und dem für eine Histon-Demethylase (HDMT) kodierenden Gen NSD1 (MIM:277590) [43]. Mutationen in NSD1 finden sich auch beim Sotos-Syndrom (MIM:117550) [43]. Das Kabuki-Syndrom ist mit Mutationen in dem für eine HMT kodierenden MLL2 Gen (MIM:147920) und dem für eine Lysin-spezifische Demethylase kodierenden KDM6A-Gen (MIM:300128) assoziiert, das Kleefstra-Syndrom mit Mutationen in dem HMT-kodierenden EHMT1-Gen (MIM:610253) [44–46]. Mutationen in Genen, die für Bestandteile des SWI/SNF-Chromatin-Remodelling Komplexes kodieren, finden sich beim Coffin-Siris-Syndrom (MIM:135900), beim Nicolaides-Baraitser-Syndrom (MIM:601358) sowie beim Rhabdoid-Tumor-Dispositionssyndrom (MIM:609322; 613325) [47–50]. Klinische und molekulare Details zu den benannten Syndromen finden sich unter den entsprechenden MIM-Nummern in der OMIM-Datenbank (http://www.omim.org/).

Die oben beschriebenen monogenen Erkrankungen beruhen auf Veränderungen in Genen, die epigenetische Modifikationen katalysieren bzw. lesen. Bei diesen Erkrankungen besitzt eine Sequenzmutation der DNA sekundär Einfluss auf epigenetische Mechanismen. Davon differenziert werden müssen Erkrankungen, bei denen die epigenetische Mutation (Epimutation) primär ist, also ohne eine nachweisbare Veränderung der DNA-Sequenz auftritt [51]. Da der Mensch von jedem autosomal kodierten Gen in der Regel zwei Kopien besitzt, werden epigenetische Veränderungen in nur einer Kopie häufig kompensiert. Anders jedoch bei Genen, die der elterlichen Prägung unterliegen, d.h. von denen nur eine Kopie aktiv ist [28]. Die wesentlichen, durch Epimutationen hervorgerufenen Störungen des Imprintings sind in Tabelle 2 zusammengestellt. In der Regel handelt es sich um Syndrome, die auf der Epimutation eines definierten, geprägten chromosomalen Bereichs beruhen, z.B. in der chromosomalen Region 15q11-13 beim Prader-Willi-(PWS) bzw. Angelman-Syndrom (AS) oder in 11p15 beim Beckwith-Wiedemann- (BWS) bzw. Silver-Russell-Syndrom (SRS) [53]. Diese Syndrome können nicht nur durch reine Epimutationen verursacht werden, sondern auch durch chromosomale Störungen, wie Deletionen, Duplikationen oder uniparentale Disomien, die zu einer Verschiebung des Gleichgewichts der Expression zwischen maternalem und paternalem Allel führen [54]. Der Nachweis einer Epimutation erfolgt diagnostisch in der Regel über die Analyse der DNA-Methylierung in einer Eltern-spezifisch differentiell-methylierten Region. Man geht heute davon aus, dass zwischen 60 und 80 solcher geprägter Genorte im Genom des Menschen existieren, wahrscheinlich sind nicht alle davon mit spezifischen Merkmalen assoziiert [55]. Viele der durch Störungen des Imprintings bedingten Syndrome gehen mit einer Veränderung der pränatalen somatischen Entwicklung im Sinne einer Dystrophie oder Makrosomie einher. Neben locus-spezifischen Störungen der DNA-Methylierung sind in den letzten Jahren zunehmend auch Multi-Locus-Methylierungsdefekte (MLMD) beobachtet worden [56]. So findet sich bei einem Teil der Patienten mit einem transienten neonatalen Diabetes mellitus ein maternales Hypomethylierungssyndrom [56]. Multi-Locus-Methylierungsdefekte wurden bei Betroffenen mit Mutationen im Gen ZFP57 oder maternalen Effektmutationen in den Genen NLRP2 und NLRP7 assoziiert [57–59]. Maternale Effektmutationen führen bei Nachkommen von phänotypisch unauffälligen Müttern zur Ausprägung von Merkmalen im Sinne von z.B. Imprinting-Störungen [59].

Epigenetische Veränderungen bei multifaktoriellen Phänotypen und Erkrankungen

Im Gegensatz zu den monogenen Erkrankungen entstehen multifaktorielle Erkrankungen durch das Zusammenspiel mehrerer genetischer Faktoren mit diversen Umweltfaktoren. Beispiele hierfür reichen von widrigen abiotischen Faktoren, über unseren Lebensstil inklusive Ernährungsweise und den Konsum von Genussdrogen bis zum sozialen Umfeld. Umfangreiche Analysen z.B. bei monozygoten Zwillingen belegen, dass epigenetische Mechanismen den Einfluss von Umweltfaktoren auf das Genom integrieren können. Epigenetische Veränderungen spielen für multifaktorielle Erkrankungen eine besondere Rolle, weil sie von der Zelle zum Teil adaptierbar und damit reversibel sind und eine Anpassung der eher statischen genetischen Information an die wechselhaften Umweltbedingungen erlauben.

Ein Beispiel für den Einfluss der Lebensweise auf unser Epigenom ist das Rauchen von Zigaretten. Es konnte gezeigt werden, dass Zigarettenkonsum mit Veränderungen im DNA Methylierungsmuster des F2RL1 [coagulation factor II (thrombin) receptor-like 1] Gens, des Dioxinrezeptorgens ARNT (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator) sowie einiger weiterer Genorte einhergeht [60, 61]. Auch eine ungesunde Ernährungsweise mit einer erhöhten Energiezufuhr führt zu charakteristischen Veränderungen im Epigenom. Entsprechend finden sich auch epigenetische Veränderungen bei typischen „Zivilisationskrankheiten“, für die Rauchen oder Überernährung Risikofaktoren sind, wie z.B. dem „metabolischen Syndrom“, das durch Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und Adipositas charakterisiert ist [62]. Dabei rückt zunehmend in das Interesse der Wissenschaft, dass ein Teil des Risikos für solche Zivilisationskrankheiten möglichweise bereits pränatal programmiert wird. Entsprechend der sogenannten Barker Hypothese „early origins of late diseases“ [63] könnte die pränatale Umgebung über epigenetische Mechanismen zelluläre Programme fixieren, die dann im späteren Leben weiter aktiv bleiben. Dies hätte z.B. bei pränataler Unterernährung zur Folge, dass ein Programm zur optimalen Ausnutzung der Nahrungsressourcen aktiviert wird, was dann bei normaler postnataler Ernährung zu einem erhöhten Risiko für Übergewicht führt.

Neben den somatischen Einflussfaktoren können aber ebenso das soziale Umfeld und das Verhalten das Epigenom des betroffenen Individuums und sogar das seiner Nachkommen beeinflussen. In einem Experiment mit Ratten zweier Rattenstämme, von denen der eine Stamm durch sehr fürsorgliches Verhalten gegenüber dem Nachwuchs und der andere Stamm durch Vernachlässigung seiner Jungen gekennzeichnet ist, konnte ein Effekt des elterlichen Verhaltens auf die Nachkommen gezeigt werden. Während die Nachkommen der fürsorglichen Eltern später neugierig und interessiert waren, waren die Jungen des anderen Stammes ängstlich und aggressiv. Durch den Austausch der Jungen der Rattenstämme konnten genetische Unterschiede zwischen den Stämmen als Ursache ausgeschlossen werden. Molekulargenetische Untersuchungen der DNA-Methylierung im Gehirn der Ratten zeigten bei den vernachlässigten Tieren wiederkehrende Alterationen im DNA-Methylierungsmuster. Diese betrafen insbesondere das Glukokortikoid-Rezeptor-Gen sowie das Gen des Noradrenalin-Rezeptors. Beide Gene sind essentiell für die Stressreaktion bzw. das Angstverhalten [64]. Durch eine vergleichende DNA-Methylierungsanalyse von Gehirngewebe von Suizid- und Verkehrsopfern konnte gezeigt werden, dass (früh)traumatische Ereignisse auch beim Menschen mit ähnlichen Veränderungen der DNA-Methylierung assoziiert sind [65, 66].

Es ist zu erwarten, dass in Zukunft viele „Volkskrankheiten“ auf epigenetische Mechanismen zurückgeführt werden können. Zum momentanen Zeitpunkt leiten sich aber – mit der unten dargestellten Ausnahme einiger Krebserkrankungen – daraus noch keine diagnostischen Konsequenzen ab. Therapeutische Optionen im Sinne einer (anti)epigenetischen Therapie z.B. mit Histon-Deacetylase-Inhibitoren oder demethylierenden Agentien sind bei nicht-neoplastischen „Volkskrankheiten“ derzeit noch weit von der breiten Anwendung entfernt, mögen aber in der Zukunft eine attraktive Ergänzung z.B. in Kombinationstherapien bei Stoffwechsel- oder entzündlichen Erkrankungen darstellen.

Epigenetische Veränderungen bei malignen Tumoren

Epigenetische Alterationen sind ein typisches Charakteristikum maligner Tumore [19, 67]. Wie oben erläutert, spielen epigenetische Modifikationen bei vielen zellulären Vorgängen eine wichtige Rolle. Veränderung im Epigenom können daher vergleichbare Auswirkungen haben wie genetische Mutationen in der DNA.

Die bislang am intensivsten untersuchte epigenetische Modifikation im Zusammenhang mit Neoplasien ist die DNA-Methylierung. Typischerweise ist bei Tumoren eine Genom-weite Hypomethylierung der DNA zu beobachten [68]. Dieses kann die Integrität des Genoms empfindlich stören, da es hierdurch zu einer Reaktivierung parasitärer Sequenzen wie Transposons oder retroviraler Elemente im Genom kommen kann. Zudem wird das normale Genexpressionsmuster der Zelle verändert. So können Tumorsuppressorgene durch die DNA-Methylierung reprimiert werden [69]. So findet sich bei Tumoren eine verstärkte Methylierung sogenannter CpG-Inseln, die normalerweise nicht methyliert sind und die sich häufig in den regulatorisch wichtigen Bereichen vor oder im Promotor eines Gens befinden [70]. Umgekehrt können putative Onkogene, die in differenzierten Zellen epigenetisch reprimiert sind, durch DNA-Hypomethylierung aktiviert werden. Ein weiterer Mechanismus, der zur Karzinogenese beitragen kann, ist das sogenannte Loss of Imprinting (LOI) [71]. Beim Menschen unterliegen einige Gene, die an der Zellzykluskontrolle beteiligt sind (z.B. CDKN1C) oder aber für Wachstumsfaktoren (z.B. IGF2) codieren, der elterlichen Prägung. D.h. es wird nur jeweils eine der beiden Kopien in der Zelle exprimiert. Kommt es zu Störungen des Imprintings, kann es zur Deregulation des Zellzyklus oder des Zellwachstums kommen.

Nach der gängigen Lehrmeinung reicht eine einzelne Mutation nicht aus, um die Karzinogenese auszulösen. Stattdessen bedarf es mehrerer Alterationen, um verschiedene Signalwege zu deregulieren und so neben einer unkontrollierten Zellteilung auch noch andere Eigenschaften eines malignen Tumors, wie beispielsweise Apoptoseresistenz, Invasion oder Angiogenese zu induzieren [72]. Da epigenetische Modifikationen durch Enzymkomplexe reguliert werden und diese Komplexe in der Regel viele Loci im Genom parallel regulieren können, können Alterationen in der Aktivität dieser Enzyme zahlreiche Epimutationen verursachen. Eine Mutation in einem epigenetic writer oder eraser kann anschließend zu einer Deregulation aller seiner Zielgene führen. D.h. eine einzelne genetische Mutation kann hier gleich viele substantielle Veränderungen auf epigenetischer Ebene nach sich ziehen, parallel mehrere Signal- bzw. Kontrollkaskaden treffen und so die Tumorentstehung erheblich begünstigen. Die jüngsten Ergebnisse aus der Komplettsequenzierung von Tumoren z.B. im Rahmen des internationalen krebsgenomprojektcs (ICGC) zeigen, dass die Mutation eines oder mehrerer epigenetischer Modifikationskomplexe eine nahezu ubiquitäre Charakteristik bei Krebserkrankungen ist [19]. So finden sich in verschiedenen Erkrankungen, wie Leukämien und Lymphomen, Mutationen im EZH2-Gen, welches für eine Histonmethyltransferase kodiert. EZH2 ist Bestandteil des Polycomb-Repressorkomplexes 2 (PRC2). In diesem Kontext ist bemerkenswert, dass viele Tumoren ein DNA-Methylierungsmuster zeigen, in dem solche Gene hyper-methyliet sind, die durch den PRC2 in embryonalen Stammzellen gebunden sind [73]. In myeloischen Neoplasien wie der AML konnte gezeigt werden, dass das Gen für eine DNA Methyltransferase (DNMT3A) rekurrent mutiert ist [74]. Ähnliches gilt für das MLL-Gen (myeloid/lymphoid or mixed-lineage leukemia), das in verschiedenen Leukämien rearrangiert ist [75]. Dieses Gen kodiert eine Histonmethyltransferase. Rekurrente Mutationen wurden auch in SETD2, ebenfalls einer Histonmethyltransferase, bei Nierenkarzinomen gefunden. Diese inaktivierenden Mutationen gehen mit dem Verlust definierter Histonmodifikationen (H3K36me3) in den Tumoren betroffener Patienten einher [76].

Hinsichtlich der klinischen Anwendung ist – vielleicht mit Ausnahme der Imprintingstörungen – die Bedeutung epigenetischer Veränderungen bei den Krebserkrankungen am weitesten fortgeschritten. So befinden sich Tests zum Nachweis aberranter DNA-Methylierung zur Früherkennung (z.B. SEPT9 beim kolorektalen Karzinom), zur Differentialdiagnose (DNA-Methylierung zur Erkennung der Lokalisation des Primarius bei Cancer of unknown primary, CUP), zur Therapiestratifizierung (z.B. MGMT-Methylierung bei Hirntumoren) oder auch als follow-up-Marker im diagnostischen Einsatz bzw. der Erprobung. Darüber hinaus sind epigenetisch (mit)wirkende Medikamente wie Histon-Deactylase-Inhibitoren (HDACi) und demethylierende Agentien bereits mit gutem Erfolg im klinischen Einsatz. Weitere (anti)epigenetische Biologika werden prä-klinisch und in frühen klinischen Studien getestet. Aber auch bei alt bekannten Medikamenten, wie Valproinsäure, werden Wirkungen auf das Epigenom beobachtet und darauf aufbauend neue Einsatzoptionen z.B. in der antineoplastischen Therapie erprobt.

Ausblick

Die allermeisten Phänotypen und Erkrankungen des Menschen und auch anderer Spezies entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel genetischer und nicht-genetischer Faktoren. Rein genetisch determinierte Erkrankungen sind ebenso selten wie rein nicht-genetische. Selbst bei klassisch monogenen Störungen können Umweltfaktoren den Verlauf modifizieren. Und selbst bei primär exogenen Störungen, wie Unfällen, beeinflussen genetische Faktoren den Heilungsverlauf (z.B. Wundheilung). Die Epigenetik ist die Brücke zwischen Genom und Umwelt und es ist davon auszugehen [77], dass ihr in Zukunft eine überragende Bedeutung für das Verständnis, die Diagnostik und die Therapie von Erkrankungen zukommen wird. Die Plastizität und Reversibilität epigenetischer Modifikationen sind dabei auf der einen Seite therapeutische Chance, auf der anderen Seite aber auch diagnostische Herausforderung. Epigenetische Veränderungen variieren je nach Geschlecht, Alter, Gewebe, Exposition oder Krankheitszustand. Es wird in der Regel postuliert, dass jedes Individuum nur ein Genom in allen Körperzellen besitzt, auch wenn dies sicher nicht völlig korrekt ist, wie man eindrücklich an Rearrangements in Lymphozyten sehen kann. Es ist aber ohne Zweifel, dass jeder Mensch eine Vielzahl von Epigenomen besitzt, die zudem erheblichen interindividuellen Variationen unterliegen. Deshalb ist es von vorrangiger Bedeutung, das Spektrum der „normalen“ Epigenome zu verstehen und deren Veränderungen im Krankheitsprozess zu beschreiben. Dabei ist zu bedenken, dass die Zahl der epigenetischen Veränderungen eine komplexe Kombinatorik des epigenetischen Code zulässt, die nur durch integrative Analyse aller Schichten des Codes entschlüsselt werden kann. Diese Aufgabe haben sich weltweite Kooperationsprojekte gestellt, wie das International Human Epigenome Consortium (IHEC) und damit assoziiert das International Cancer Genome Consortium (ICGC). Innerhalb von IHEC sollen systematisch und nach einheitlichen Kriterien in den nächsten Jahren Referenzepigenome für die wesentlichen Gewebe des Menschen und deren krankhafte Veränderungen generiert werden. Doch selbst wenn diese vorliegen, wird die Interpretation der Komplexität des Epigenoms insbesondere im Kontext medizinischer Fragen eine Herausforderung bleiben, die zwar im Sinne einer Präzisions-Medizin große Chancen bietet, allerdings auch zahlreiche ethische Frage aufwirft.

Danksagung:

Die Autoren entschuldigen sich bei allen Kolleginnen und Kollegen, deren Arbeiten aus Platzgründen nicht dargestellt werden bzw. umfassend zitiert werden konnten. Die eigenen Arbeiten der Autoren zur dargestellten Thematik werden gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Netzwerkes „Imprinting-Erkrankungen“ (01GM1114), des ICGC MMML-Seq Projektes (01KU1002A) sowie des Deutschen Zentrums für Lungenerkrankungen (82DZL00105), durch die Europäische Union (EU) im Rahmen des IHEC-Projektes BLUEPRINT (HEALTH-2011.2.1.1-1/282510) und das INTERREG Projektes SAME (57-1.3-10; 10/2572), sowie durch die KinderKrebsInitiative Buchholz/Holm-Seppensen. OA und RS sind Mitglieder der Exzellenzclusters „Inflammation at Interfaces“.

Interessenkonflikt:

Die Autoren erklären, dass keine wirtschaftlichen oder persönlichen Interessenkonflikte bestehen.