DNA-Methylierung

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 13. November 2016
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Eine Methylierung ist ein chemischer Prozess, bei dem eine Methylgruppe von einem Molekül auf ein anderes Molekül übertragen wird. Bei der DNA-Methylierung koppelt sich eine Methylgruppe an einen bestimmten Teil der DNA und verändert somit einen Baustein der Erbsubstanz.

Inhaltsverzeichnis

Was ist eine DNA-Methylierung?

Bei der DNA-Methylierung hängt sich eine Methylgruppe an bestimmte Nukleotide der DNA. Die DNA, auch DNS oder Desoxyribonukleinsäure genannt, ist Träger der Erbinformation. Mithilfe der Informationen, die in der DNA gespeichert sind, können Eiweiße produziert werden.

Der Aufbau der DNA entspricht dem einer Strickleiter, wobei die Holme der Strickleiter schraubenförmig gedreht sind, sodass eine sogenannte Doppelhelixstruktur entsteht. Die Seitenteile der Strickleiter werden aus Zucker- und Phosphatresten gebildet. Die Sprossen der Strickleiter stellen organische Basen dar. Die Basen der DNA heißen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin.

Jeweils zwei Basen verbinden sich als Paar zu einer Strickleitersprosse. Die Basenpaare werden jeweils von zwei komplementären Basen gebildet: Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin. Ein Nukleotid ist ein Molekül, das aus einem Phosphat-, einem Zucker- und einem Basenbestandteil gebildet wird. Bei der DNA-Methylierung heften nun spezielle Enzyme, die Methyltransferasen, eine Methylgruppe an die Base Cytosin. So entsteht Methylcytosin.

Funktion & Aufgabe

Die DNA-Methylierungen gelten als Marker, die es der Zelle ermöglichen bestimmte Bereiche der DNA zu nutzen oder nicht zu nutzen. Sie stellen einen Mechanismus zur Genregulation dar. Man könnte sie daher auch als An- und Ausschalter bezeichnen, da eine Methylierung einer Base in den meisten Fällen eine Kopie des betroffenen Gens bei der Transkription der DNA verhindert.

Die DNA-Methylierung sorgt dafür, dass die DNA unterschiedlich genutzt werden kann, ohne dass die DNA-Sequenz selber sich verändert. Durch die Methylierung werden neue Informationen auf dem Genom, also dem Erbgut, geschaffen. Man spricht von einem Epigenom und dem Prozess der Epigenetik. Das Epigenom ist die Erklärung dafür, dass identische Erbinformationen verschiedene Zellen erzeugen können. Beispielsweise können aus menschlichen Stammzellen die unterschiedlichsten Gewebearten entstehen. Aus der einzelnen Eizelle kann sogar ein ganzer Mensch entstehen. Das Epigenom der Zelle entscheidet, welche Form und Funktion sie annimmt. Die markierten Gene zeigen der Zelle also, was für sie zu tun ist. Eine Muskelzelle nutzt für ihre Arbeit nur die markierten Abschnitte der DNA, die für sie relevant sind. Ebenso tun es Nervenzellen, Herzzellen oder Zellen der Lunge.

Bei der DNA-Methylierung koppelt sich eine Methylgruppe an einen bestimmten Teil der DNA und verändert somit einen Baustein der Erbsubstanz.

Die Markierungen durch die Methylgruppen sind flexibel. Sie können entfernt oder verschoben werden. Dadurch würde der vorher deaktivierte DNA-Abschnitt wieder aktiv werden. Diese Flexibilität ist erforderlich, da zwischen Genom und Umwelt ein ständiges Wechselspiel stattfindet. Die DNA-Methylierung greift diese umweltlichen Einflüsse auf.

DNA-Methylierungen können auch stabil sein und werden von einer Generation Zellen auf die nächste Generation vererbt. So können im gesunden Körper in der Milz immer nur Milzzellen entstehen. Dadurch bleibt gewährleistet, dass das jeweilige Organ seine Aufgaben erfüllen kann.

Die epigenetischen Veränderungen können aber nicht nur von einer Zelle auf die nächste, sondern auch von einer Generation zur nächsten übertragen werden. Würmer vererben über eine DNA-Methylierung beispielsweise eine Immunität gegen bestimmte Viren.

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Krankheiten & Beschwerden

Pathologische Veränderungen im Epigenom konnten bisher bei vielen Erkrankungen nachgewiesen und als Ursache für Erkrankungen aus den Gebieten der Immunologie, der Neurologie und insbesondere der Onkologie identifiziert werden.

In Geweben, die von Krebs betroffen sind, zeigen sich neben Defekten in der DNA-Sequenz an sich fast immer auch Fehler im Epigenom. Bei Tumoren wird häufig ein abnormales DNA-Methylierungsmuster beobachtet. Die Methylierung kann dabei sowohl vermehrt als auch vermindert sein. Beides hat weitreichende Folgen für die Zelle. Bei einer vermehrten Methylierung, also bei einer Hypermethylierung, können sogenannte Tumorsuppressorgene inaktiviert werden. Tumorsuppressorgene kontrollieren den Zellzyklus und können bei einer drohenden Zellentartung den programmierten Zelltod der geschädigten Zelle veranlassen. Sind die Tumorsuppressorgene inaktiv, können Tumorzellen sich ungehindert vermehren.

Bei einer verminderten lokalen Methylierung (Hypomethylierung) können schädliche DNA-Elemente versehentlich aktiviert werden. Im Falle von einer falschen Markierung durch die Methylgruppen spricht man auch von einer Epimutation. Dies führt zu einer Instabilität des Genoms. Bei einigen krebserregenden Stoffen wurde nachgewiesen, dass sie in den Methylierungsprozess in den Zellen eingreifen.

Die Veränderungen in den Methylierungsmustern unterscheiden sich von Krebspatient zu Krebspatient. So liegen bei einem Patienten mit Leberkrebs andere Methylierungen vor als bei einem Patienten mit Prostatakrebs. Forschern gelingt es so immer häufiger aufgrund der Methylierungsmuster Tumore zu klassifizieren. Auch wie weit ein Tumor fortgeschritten ist und wie er sich bestenfalls behandeln lässt, ist für die Forscher erkenntlich. Allerdings ist die Analyse der DNA-Methylierung als Diagnose- und Therapieverfahren noch nicht komplett ausgereift, sodass noch einige Jahre vergehen werden, bis die Verfahren wirklich zur Anwendung außerhalb des Forschungsbereichs kommen.

Eine sehr spezielle Erkrankung, die ihren Ursprung in der Methylierung hat, ist das ICF-Syndrom. Hierbei findet sich eine Mutation in der DNA-Methyltransferase, also jenem Enzym ,welches die Methylgruppen an die Nukleotide koppelt. Dadurch besteht bei den Betroffenen eine Untermethylierung der DNA. Die Folge sind rezidivierende Infekte durch eine Immunschwäche. Zudem können Minderwuchs und Gedeihstörungen auftreten.

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