Genetik

Die Genetik, auch Vererbungslehre genannt, ist die Lehre der Gene, deren Variationen und die Vererbung innerhalb eines Organismus. Sie wird in drei Untergruppen eingeteilt: klassische Genetik, Molekulargenetik und Epigenetik.

Klassische Genetik

Die klassische Genetik ist das älteste Gebiet im Fach Genetik. Diese führt auf Gregor Mendel zurück, welcher den Vererbungsvorgang monogener Erbgänge (Merkmale, deren Ausprägung nur von einem Gen bestimmt werden) beschrieb. Die Mendelschen Regeln gelten allerdings nur für Organismen, welche zwei Chromosomensätze von beiden Eltern geerbt haben, was bei den meisten Pflanzen und Tieren der Fall ist. Mit der Entdeckung der Genkopplung, welche besagt, dass einige Gene, die ein bestimmtes Merkmal kodieren, gemeinsam vererbt werden, wurde die Mendelsche Regel, dass sich alle Gene während der Meiose (Zellteilungsprozess, welcher die Chromosomennummer um die Hälfte reduziert und bei der sexuellen Reproduktion auftritt) unabhängig voneinander teilen, widerlegt und die Mendelschen Regeln an sich infrage gestellt. Besagte Regel gilt nur für Gene auf demselben Chromosom – je näher die Gendistanz, desto höher die Wahrscheinlichkeit auf ein gemeinsames Vererben.

Nach Entdeckungen wie dem genetischen Code (DNA und mRNA) oder der Klonierung (Methoden der Gewinnung und identischen Vervielfältigung von DNA) entwickelte sich die Genetik über die klassische Genetik hinaus weiter.

Molekulargenetik

Die Molekulargenetik, auch Molekularbiologie genannt, ist der Teil der Genetik, welcher sich auf molekularer Ebene mit Struktur, Funktion und Biosynthese der Nukleinsäuren Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) beschäftigt. Des Weiteren beschäftigt sich die Molekulargenetik mit dem Interagieren auf der molekularen Ebene untereinander und mit verschiedenen Proteinen sowie der Erforschung der Genexpression (genetische Informationen eines Gens), der Genregulation (Steuerung der Aktivität von Genen) und der Proteinfunktion innerhalb einer spezifischen Zelle.

Die Techniken der Molekularbiologie werden zum Großteil bei Forschungen in der Medizin und Biologie angewandt. Beispiele für häufig verwendete Techniken sind die Polymerase-Kettenreaktion (engl. polymerase chain reaction, PCR; in vitro Vervielfältigung der DNA), die DNA-Klonierung und die Mutagenese (Mutationserzeugung im Erbgut eines Lebewesens). Den Namen bekam das Fach 1952 vom Molekularbiologen und Physiker William Astbury, welcher die Molekulargenetik maßgeblich prägte.

Epigenetik

Die Epigenetik beschäftigt sich mit vererblichen molekularen Eigenschaften, deren Grundlage nicht die DNA-Sequenz ist. Das Präfix epi- (griech.: επί ) sagt aus, dass stattdessen Modifikationen „auf“ der DNA betrachtet werden.

Unterschieden werden die Teilgebiete Methylierungen (Hinzufügen von CH3-Gruppen) sowie Histonmodifikationen (Histone = von DNA umwickelte Proteine, dessen Einheit „Oktamaer“ aus zwei Kopien der Proteine H2A, H2B, H3 und H4 bestehen).

Bei der zentralen DNA-Methylierung beim Menschen handelt es sich um die der Nukleinbase Cytosin in sog. CpG-Inseln der DNA. Bei besagten folgen auf Guanin-Basen Cytosin-Basen („CpG-Dinukleotid“). 75 % der CpG-Inseln sind methyliert.

Die Wirkung der Methylierungen wird durch methylbindende Proteine vermittelt. Diese verursachen ein Schließen der Nukleosom-Konformation (Nukleosom = Einheit von DNA und einem Histonoktamer). Beschriebene Stellen sind folglich erheblich schwerer für Transkriptionsfaktoren (TPFs; sich an die DNA anlagernde auf die Transkription einwirkenden Proteine) zugänglich.

Je nach Lage der Methylierungen wirken sie sich transkriptionshemmend (Transkription = Umschreibung der DNA in RNA) bzw. transkriptionsverstärkend aus. Eine Methylierung wird von unterschiedlichsten DNA-Methyltransferasen katalysiert – eine Demethylierung (Entfernung der Methylgruppe) durch Demethylasen.

Als evolutionär älteste Funktion wird die Methylierung im Sinne eines dauerhaften Stilllegens eines Großteils der Transposons (DNA-Elemente, die ihren Lokus (Ort) verändern können, wobei es beim Entfernen bzw. Neuhinzufügen dieser Elemente zu Mutationsereignissen mit potentiell pathologischer Natur kommen kann) betrachtet.

Befinden sich diese Methylierungen an Promoter-Regionen, wird die Anlagerung von spezifischen TPFs deutlich verringert. Eine Transkription des DNA-Abschnittes ist somit nicht möglich.

Methylierungen an Enhacer-Sequenzen verhindern das Anlagern von transkriptionsverstärkenden TPFs. Methylierungen an nicht-regulatorischen Sequenzen verringern die Transkriptionsgeschwindigkeit aufgrund geringer Bindungs-Affinität der DNA-Polymerase zur DNA.

Einzig Methylierungen an Silencer-Sequenzen von DNA können zur Erhöhung der Transkriptionsaktivität beitragen, da diese die Anlagerung transkriptionshemmender Faktoren unterbinden.

Die Histonmodifikationen werden durch das Hinzufügen einer Vielzahl von chemischen Gruppen an den Seitenketten der Aminosäuren der Histonproteine charakterisiert. Bei den häufigsten handelt es sich um Acetylierungen und Methylierungen. Die Acetylierung betrifft lediglich die Aminosäure Lysin und führt zu einer Neutralisierung des positiv geladenen Lysins. Die Wechselwirkungen zur negativ geladenen DNA nehmen ab, was zu einer Auflockerung, d. h. Abnahme der Verdichtung, des Histon-DNA-Komplexes führt. Resultat ist eine erhöhte Zugänglichkeit der Transkriptionsfaktoren.

Histon-Methylierungen wirken sich ebenfalls auf den Verdichtungsgrad der Nukleosom-Konformation aus. Hier ist es jedoch anhängig von Aminosäuren bzw. Histonproteinen, ob es zu einer Öffnung oder Verdichtung kommt.

Eine weitere Besonderheit ist das Vorliegen eines Histoncodes. Das „Aufeinanderfolgen“ verschiedener Histonmodifikationen führt letztlich zum Rekrutieren von sog. Chromatin-Modellierungsfaktoren – je nach Art erhöhen bzw. erniedrigen diese Proteine den Kondensierungsgrad der Nukleosom-Konfirmation.

Therapie (perspektivisch): Da sowohl das optimale Methylierungsmuster von Zellen und Zelltypen größtenteils unbekannt ist, und somit nur geringfügige Aussagen über das ideale Proteinverhältnis der Zelle gemacht werden kann, aber auch der Histoncode nur fragmental bestimmt ist, sind therapeutische Modifikationen aktuell nicht sinnvoll.

Perspektivisch können jedoch durch Hoch- bzw. Runterregulierung von Genen sowohl die Behandlung von Erkrankungen wie bspw.. Tumorerkrankungen, psychischen Leiden sowie Autoimmunerkrankungen als auch im Anti-Aging-Sektor Nutzen finden.