DNA-Methylierung einfach erklärt: Wie wirkt sich der Lebensstil auf die Gene aus?

Warum altern Menschen unterschiedlich oder reagieren anders auf Stress? Neben genetischen, körperlichen und sozialen Faktoren untersucht die Forschung auch die DNA-Methylierung. Ihre Muster können sich im Laufe des Lebens verändern und mit Umwelt- und Lebensstilfaktoren zusammenhängen.

Hier lesen Sie, wie die Methylierung funktioniert, welche Bedeutung​ sie für unsere Gesundheit hat und wie die Ernährung, Stress und andere Faktoren diesen Prozess beeinflussen können.

Was bedeutet die DNA-Methylierung?

Jede Zelle des Körpers enthält nahezu dieselbe DNA. Trotzdem unterscheiden sich Hautzellen, Muskelzellen, Nervenzellen und Leberzellen erheblich in ihrer Funktion.

Der Grund ist einfach: Nicht in jeder Zelle sind alle Gene aktiv. Bei der DNA-Methylierung werden kleine chemische Gruppen, sogenannte Methylgruppen, an bestimmten Stellen an den DNA-Baustein Cytosin gebunden. In menschlichen Zellen geschieht dies besonders häufig an sogenannten CpG-Stellen. Dabei folgt in der Abfolge der DNA-Bausteine direkt auf ein Cytosin ein Guanin. Das „p“ bezeichnet die chemische Phosphatverbindung zwischen beiden Bausteinen.

Diese Form der Methylierung von DNA kann an der späteren Genexpression mitwirken, indem sie etwa beeinflusst, an welchen Stellen die DNA abgelesen wird. Man kann sich das Erbgut wie ein Kochbuch vorstellen:

• Die DNA enthält alle Rezepte.
• Die Gene sind die einzelnen Gerichte.
• Die Methylierung setzt Markierungen, welche Rezepte häufiger oder seltener genutzt werden.

Das Rezept selbst bleibt wie die DNA-Sequenz unverändert. Es wird lediglich gesteuert, wie oft darauf zurückgegriffen wird. Deshalb wird DNA-Methylierung häufig als eine wichtige Form der Genregulation beschrieben. Sie trägt dazu bei, dass die Zelle bestimmte Teile des Erbguts häufiger, seltener oder gar nicht nutzt.

Warum ist DNA-Methylierung wichtig?

Die DNA-Methylierung gehört zu den wichtigsten Mechanismen der biologischen Regulation. Ohne sie könnten spezialisierte Zellen ihre Aufgaben nicht zuverlässig erfüllen. Sie hilft dem Körper dabei,

• die Identität und Funktion verschiedener Zelltypen aufrechtzuerhalten,
• Entwicklungsprozesse zu steuern,
• die Aktivität bestimmter Gene zu regulieren und
• Methylierungsmuster bei Zellteilungen weiterzugeben.

Wissenschaftler beschreiben die Methylierung deshalb oft als zusätzliche Informationsebene über dem genetischen Code: Während die DNA den Bauplan enthält, liefert die Methylierung Hinweise darauf, wie dieser Bauplan genutzt werden soll.

Wie entstehen Methylierungsmuster?

Die DNA besteht aus vier Basen bzw. Bausteinen:

• Adenin
• Thymin
• Guanin
• Cytosin

Die meisten Prozesse der Methylierung der DNA finden an sogenannten CpG-Stellen statt. Dabei liegen Cytosin und Guanin direkt nebeneinander. Hier können Enzyme eine Methylgruppe an das Cytosin anheften.

Wenn ein Bereich der DNA methyliert wird, kann dies beeinflussen, ob ein bestimmtes Gen leicht oder schwer von der zellulären Maschinerie abgelesen wird. Dadurch kann sich die Aktivität eines Gens verändern. Die Methylierung wirkt dabei nicht wie ein einfacher Ein-Aus-Schalter, sondern eher wie ein biologischer Dimmer, der die Genaktivität fein abstimmt.

Nach der Verdopplung der DNA wird ein großer Teil der bestehenden Methylierungsmuster auf die neuen DNA-Kopien übertragen. Das hilft den Tochterzellen, ihre jeweilige Identität und Funktion beizubehalten.

Welche Enzyme sind an der Methylierung der DNA beteiligt?

Der Körper benötigt spezialisierte Enzyme, damit bestimmte Stellen der DNA methyliert werden können. Sie haben zwei Funktionen. Die wichtigsten hierbei sind die „Schreiber“ und die „Radierer“.

Was ist der Unterschied zwischen DNA-Methylierung, Epigenetik und Genetik?

Die Begriffe DNA-Methylierung und Epigenetik werden häufig gemeinsam genannt. Dabei kann die Methylierung als Teil der Epigenetik gesehen werden:

• Genetik: Sie beschäftigt sich vor allem mit den Genen und der DNA-Sequenz.
• Epigenetik: Das Teilgebiet der Biologie untersucht hingegen Mechanismen, die beeinflussen, wie Gene reguliert werden, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. 
• DNA-Methylierung: Der Prozess ist eine zentrale epigenetische Modifikation.

Die DNA-Methylierung ist einer von mehreren epigenetischen Mechanismen. Auch Veränderungen an Histonen und die Verpackung der DNA im Chromatin können beeinflussen, welche Gene abgelesen werden. Gemeinsam mit weiteren Regulationsmechanismen beeinflussen sie, welche Gene in einer Zelle aktiv sind und wie stark sie abgelesen werden.

Wie verändert sich die DNA-Methylierung im Laufe des Lebens?

Bereits kurz nach der Befruchtung werden viele elterliche Markierungen gelöscht und neu aufgebaut. Dieser Prozess wird als epigenetische Neuprogrammierung bezeichnet und ermöglicht, dass sich Gewebe und unterschiedliche Organe entwickeln. Epigenetische

Muster werden in zwei Entwicklungsphasen besonders umfassend in männlichen und weiblichen Keimzellen neu geordnet: zunächst während der Bildung von Ei- und Samenzellen und später nach der Befruchtung in der frühen Embryonalentwicklung. Ein großer Teil vorhandener Methylierungen wird dabei entfernt und anschließend neu aufgebaut. Einige besondere Markierungen, etwa an genomisch geprägten Genen, werden anders behandelt.

Im späteren Leben bleiben manche Muster stabil, andere reagieren auf Umweltfaktoren und können individuell sehr unterschiedlich sein. Mit zunehmendem Alter gewinnen einige DNA-Bereiche Methylgruppen hinzu, während andere Methylgruppen verlieren. Zusätzlich können die Muster innerhalb eines Gewebes uneinheitlicher werden.

Welche Faktoren können die Methylierung beeinflussen?

Im Alltag können die Art, wie wir uns ernähren oder welche Gewohnheiten wir pflegen, die Methylierung und die Aktivität der Gene beeinflussen. Zu den wichtigsten Einflüssen gehören die folgenden.

• Ernährung: Folat, Vitamin B12, Vitamin B6, Cholin, Methionin und Betain wirken an Stoffwechselwegen mit, die Methylgruppen bereitstellen beziehungsweise übertragen. Damit können sie die Voraussetzungen für Methylierungsreaktionen beeinflussen und etwa den Homocystein-Stoffwechsel unterstützen.
• Bewegung: Regelmäßige körperliche Aktivität wird mit Veränderungen der DNA-Methylierung in verschiedenen Geweben in Verbindung gebracht. Welche gesundheitliche Bedeutung einzelne Veränderungen haben, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt.
• Stress: Chronischer Stress wird mit Unterschieden bestimmter DNA-Methylierungsmuster in Verbindung gebracht. Ob diese Unterschiede eine Folge des Stresses sind und welche langfristige Bedeutung sie für einzelne Menschen haben, ist oft noch unklar.
• Schlaf und Umwelt: Auch Schlafmuster, Luftverschmutzung, Tabakrauch und bestimmte Schadstoffe stehen in Studien mit veränderten Methylierungsmustern in Zusammenhang. Die Ergebnisse unterscheiden sich jedoch je nach untersuchtem Gewebe, Belastung und Studienaufbau.

Wie hängen veränderte Methylierungsmuster mit Erkrankungen zusammen?

Forschende haben bei bestimmten Erkrankungen epigenetische Veränderungen gefunden. Besonders gut untersucht ist dies bei Krebs: In Tumorzellen können schützende Gene durch Methylierung weniger aktiv sein, während der Verlust anderer Methylierungen die Stabilität des Genoms beeinträchtigen kann. Auch bei Stoffwechsel-, Autoimmun- und neurologischen Erkrankungen werden solche Zusammenhänge erforscht. Dabei ist nicht immer eindeutig, ob die Veränderungen zur Erkrankung beitragen oder durch sie entstehen.

Auch in Zusammenhang mit der DNA-Reparatur wird die DNA-Methylierung weiterhin untersucht.

Wie kann man epigenetische Muster messen?

Moderne Labormethoden können untersuchen, an welchen Stellen der DNA-Methylgruppen vorhanden sind. Je nach Verfahren werden einzelne DNA-Abschnitte oder große Teile des Methyloms auf Modifikationen der DNA analysiert.

Forschende untersuchen auch den Zusammenhang zwischen der Methylierung und dem gesunden Altern. Steve Horvath entwickelte etwa eine sogenannte epigenetische Uhr. Sie nutzt charakteristische DNA-Methylierungsmuster, um ein epigenetisches bzw. biologisches Alter statistisch zu schätzen. Je nach verwendeter Uhr kann dieses Ergebnis das Lebensalter oder bestimmte altersbezogene Gesundheitsmerkmale unterschiedlich gut abbilden.

Das Ergebnis kann vom kalendarischen Alter abweichen. Was diese Abweichung für die Gesundheit einer einzelnen Person bedeutet, hängt jedoch von der verwendeten Uhr und ihrem Einsatzzweck ab. Für solche Berechnungen wird häufig das sogenannte Methylom untersucht, also die Gesamtheit aller Methylierungsmarkierungen innerhalb des Genoms.

Was bedeuten die biologischen Veränderungen für den Alltag?

Die moderne Epigenetik zeigt, dass die Gesundheit sowohl durch die Gene als auch durch den Lebensstil beeinflusst wird. Zwar können wir eine Methylierung nicht aktiv rückgängig machen oder Gene beliebig an- und ausschalten, doch wir können einen positiven Einfluss auf die Prozesse ausüben, die an der Genregulation beteiligt sind.

Eine ausgewogene Ernährung, regelmäßige Bewegung, ausreichend Schlaf und ein sinnvoller Umgang mit Stress unterstützen die allgemeine Gesundheit. Diese Faktoren werden auch im Zusammenhang mit DNA-Methylierungsmustern untersucht. Daraus lässt sich jedoch nicht ableiten, dass sich ein bestimmtes Methylierungsmuster gezielt herstellen oder optimieren lässt.

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