Neueste Erkenntnisse zur epigentischen Vererbung an nachfolgende Generationen
Das folgende Video elektrisiert. Und zwar jedes mal aufs Neue, wenn man es sieht (1).
Vor allem ist es die Begeisterung, mit der dieser Forscher von seinen Forschungen berichtet. Aber es ist mehr. Er ist zugleich mit sehr grundlegenden Fragestellungen befaßt. Nämlich - letztlich - mit der Frage, wie Evolution eigentlich funktioniert, funktionieren kann, wie - vielleicht - neue Arten entstehen können. Leider gibt es zu diesem Video (noch) keine deutschen Untertitel.
Seit Jahrzehnten gibt es in der Wissenschaft Hinweise
darauf, daß erworbene Eigenschaften - auch Erinnerungen, insbesondere
traumatischer Art - an nachfolgende Generationen weiter gegeben werden
können. Dabei handelt es sich um die berühmte "Vererbung erworbener Eigenschaften", die seit dem berühmten Evolutionsforscher Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) immer wieder erneut anerkannt und verworfen worden sind. Ihre Existenz ist aber inzwischen längst gesichert. Der am besten
bekannte und erforschte Mechanismus diesbezüglich ist der Umstand, daß
an den DNA-Strang sogenannte "Methyl"-Gruppen angehängt sind. Diese bestimmen, ob ein bestimmter Abschnitt der DNA abgelesen werden soll
oder nicht, bzw. in welchem Umfang das geschehen soll. Das wird auch als
Methylisierung bezeichnet. Der Methylisierungszustand bestimmt zunächst, ob innerhalb eines Körpers aus einer undifferenzierten Körperzelle eine Leberzelle, eine Nervenzelle oder eine Darmepithelzelle wird. Denn alle diese Zellen haben ja denselben Genomsatz, der aber in jeder Zelle unterschiedlich abgelesen werden muß. Und genau das geschieht über die Methylisierung, die der wichtigste Aspekt des Themas Epigenetik bildet. Aber es gibt nun viele Hinweise darauf, daß bestimmte Arten der Steuerung dieser Methylisierung von einer Generation zur anderen weiter gegeben werden kann, wodurch man eben dann die "Vererbung erworbener Eigenschaften" hat.
Wenn man nun zum Beispiel eine untersuchte Person hat, die (wie der Autor dieser Zeilen) zwei Großväter gehabt hat, die beide starke Raucher gewesen sind und die (vermutlich) stark geraucht haben sowohl
Die Mechanismen allerdings, über die das geschieht, sind im einzelnen noch keineswegs besonders gut verstanden. Kürzlich ist ein Überblick zum aktuellen Forschungsstand erschienen (2). Er behandelt den Forschungsstand bezüglich von Menschen und nichtmenschlichen Säugetieren, hat also nicht solche Organismen im Blick, über die im einleitenden Video dieses Blogartikels so begeistert und mitreißend berichtet wird.
Dennoch wollen wir ihn im folgenden auswerten. Dieser Überblicksartikel enthält eine solche Fülle an Neuerkenntnissen (für uns), die insgesamt von Bedeutung sind, wenn man sich in diesem Forschungsgebiet zurecht finden will. Dieser Überblick enthält also ebenso wie das Video viele Erkenntnisse, über die man erst in den letzten zehn Jahren angefangen hat, Klarheit zu gewinnen. Deshalb erfährt auch der Autor dieser Zeilen (dessen Biologiestudium 25 Jahre zurück liegt) bei diesen Gelegenheiten zum ersten mal von ihnen. Es wird inzwischen viel genauer der Frage nachgegangen, über welche Wege epigenetische Programmierungen eines erwachsenen Menschen oder eines erwachsenen Tieres an die Nachkommenschaft weiter gegeben werden können und in welchen Lebensphasen das geschiehen könnte (Abb. 1).
Die Einsichten sind zugleich auch in der Grafik, die dieser Studie entnommen wurde, übersichtlich zusammengefaßt (Abb. 1).
Es gibt vieles, was einem auch als biologisch hinreichend gebildeten Menschen hier zum ersten mal klar werden kann. Dazu gehört zum Beispiel der Umstand, daß auch voll entwickelte Samen- oder Eizellen eines Menschen oder Säugetieres ausdifferenzierte, spezialisierte Zellen sind. Und zwar so wie (fast) jede andere Zellart des Körpers auch. Denn sie weisen eine ähnlichen Methylisierungsgrad auf wie die sonstigen Körperzellen. Allerdings: Es stehen dabei die (männlichen) Samenzellen dem typischen epigenetischen Methylisierungsgrad ausdifferenzierter Körpergewebe (etwa 80 %) deutlich näher als die (weiblichen) Eizellen. Der epigenetische Methylisierungsgrad liegt bei diesen nur bei etwa 50 % liegt (Abb. 1). Ohne dem vorläufig weiter nachzugehen, schreiben wir erst mal hin: Der Grund dürfte vielleicht einfach nur sein, daß Samenzellen - wie andere Körperzellen auch - eine ganze Menge mehr "leisten" müssen auf ihrem Weg zur Eizelle als die Eizelle "leisten" muß, um sich befruchten zu lassen und in die Gebärmutter zu gelangen. (Das mag jetzt eine laienhafte Annahme sein. Wenn jemand unter Lesern dazu etwas Genaueres weiß, bitte mitteilen.)
In der Samenzelle wird der Methylisierungsgrad, der für ausdifferenzierte Körperzellen typisch ist, auf dem Weg hin zur Eizelle schon abgebaut (Abb. 1), so daß bei der Vereinigung der beiden Zellen beide in etwa den gleichen Methylisierungsgrad aufweisen. (Ohne jetzt genaueres zu wissen, könnte ich mir denken, daß dieser Abbau des Methylisierungsgrades innerhalb der Samenzelle vor allem direkt vor der Vereinigung oder unmittelbar danach geschieht.)
In den ersten zwei Wochen der Embryonalentwicklung nun geht der Methylisierungsgrad noch weiter zurück ("Post-Fertilization Reprogramming"), während dann ab der zweiten Woche der Methylisierungsgrad wieder zunimmt.
Aber nun wohlgemerkt: Diese Umstände sind deshalb so wichtig, weil wenn über diese Methylisierung erworbene Eigenschaften an die folgende Generation weiter gegeben werden sollen, muß es ja dafür noch "Restbestände" dieser Methylisierung geben. Und wie groß diese "Restbestände" an Methylisierung in den jeweiligen Lebensphasen der hier wichtigen Zellen sind, das eben wird in dieser Grafik (Abb. 1) dargestellt.
Wobei vorbehaltlich gesagt sein soll, daß Methylisierung nicht zwangsläufig der einzige Weg sein muß, über den erworbene Eigenschaften weiter gegeben werden können. In der hier benutzten Studie wird auch auf mehrere andere Möglichkeiten eingegangen. Aber Methylisierung spielt auf jeden Fall eine sehr wichtige Rolle. Und sichtbar ist eben, daß zu allen Zeiten "Restbestände" von Methylisierung übrig sind, so daß Methylisierung zumindest vom Prinzip her ein Weg sein kann, auf dem erworbene Eigenschaften von einer an die nächste Generation weitergegeben werden können.
Es ist nun auch außerordentlich spannend, sich klar zu machen, daß innerhalb des Embryos schon ab der fünften Schwangerschaftswoche die Heranreifung der Keimzellen (je nach Geschlecht: Ei- oder Samenzellen) beginnt und - was nun den Methylisierungsgrad betrifft, einen ganz anderen Weg einschlagen als das ganze übrige Körpergewebe des Embryos (Abb. 1). Während das übrige Körpergewebe des Embryos schon spätestens ab der achten Schwangerschaftswoche im Durchschnitt wieder das Methylisierungsmuster typischer ausdifferenzierter Körperzellen ausweist, findet in den künftigen Keimzellen des Embryos etwas ganz anderes statt, nämlich - - - erneut eine "Reprogrammierung" der Methylisierung. Die Methylisierung geht dabei auf fast 10 % zurück! Und erst zwischen der 16. und 19. Schwangerschaftswoche wird hier der Methylisierungsgrad wieder erreicht, der dann auch noch im Erwachsenenalter vorliegt.
Auf all diesem ergeben sich zunächst zwei Schlußfolgerungen: Genomische Prägungen können die "Reprogrammierung" nach der Befruchtung womöglich leichter überstehen als bei der Heranreifung der neuen Keimzellen (!). Das heißt, die Tochter-Generation kann - vom Prinzip her - mehr von den "erworbenen Eigenschaften" abkriegen als - zumindest auf direktem Weg (sprich noch während der Schwangerschaft) - die Enkelgeneration. Natürlich kann auch die Tochter während ihres Lebens Eigenschaften erwerben, die sie dann an ihre Kinder weiter gibt und diese können dann die direkt von der Großelteren-Generation weiter gegebenen Eigenschaften verstärken oder abschwächen.
Wohlgemerkt, soweit das über den Methylisierungsgrad geschehen würde. So möchten wir das also alles erst einmal beim ersten Augenschein formulieren. Wobei es in der Studie heißt, daß es für die Vererbung erworbener Eigenschaften, die die Reprogrammierung nach der Befruchtung überstehen, schon mehr empirische Daten gibt, als für die Vererbung erworbener Eigenschaften, die auch noch die Reprogrammierung bei der Heranreifung der neuen Keimzellen überstehen (!). Das sei noch einmal im Originaltext zitiert (2, S. 7):
Es gibt wohl schon eine gewisse Durchlässigkeit dieser Blut-Hoden-Schranke. Aber wie sie beschaffen ist, muß noch weiter erforscht werden. So viel sollten hier nur einige Grundkenntnisse zum neuesten Kenntnisstand mitgeteilt werden.
Nun gibt es aber auch noch jenen israelischen Wissenschaftler Oded Rechavi, der im Video eingangs zu Wort gekommen war, und der auch anhand des Modellorganismus Fadenwurm aufgezeigt hat, daß Erinnerungen nicht nur über die DNA, sondern auch über die schon genannte, evolutionär ältere RNA weiter gegeben werden können.
Aber was uns zunächst am bedeutsamsten erscheint: Er hat auch gefunden, daß es im Fadenwurm-Genom eine Uhr dafür gibt, für wie viele Generationen eine solche Erinnerung vererbt wird, eine Uhr, die sogar so eingestellt werden kann, daß die Erinnerung für immer weiter vererbt wird. Und könnte damit dann nicht insgesamt Artbildung erklärt werden vom Prinzip her? Diese Uhr, bzw. diesen Mechanismus hat Rechavi "Motek" genannt, das heißt im Hebräischen "süßes Herz".
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Wenn man nun zum Beispiel eine untersuchte Person hat, die (wie der Autor dieser Zeilen) zwei Großväter gehabt hat, die beide starke Raucher gewesen sind und die (vermutlich) stark geraucht haben sowohl
a) vor der Zeugung ihrer Kinder (also vor der Zeugung der Eltern der untersuchten Person), bzw.dann kann sich das noch nachteilig auswirken auf den Gesundheitszustand bis auf die Enkelgeneration (also bis auf die untersuchte Person hin). Wenn Großeltern längere Zeit gehungert haben, sind ebenfalls solche Auswirkungen festgetellt worden. Ebenso gibt es Hinweise, daß auf diese Weise die Auswirkungen von Traumatisierungen an nachfolgende Generationen weiter gegeben werden können.
b) in der Nähe ihrer schwangeren Ehefrauen, bzw.
c) in der Nähe ihrer Kinder,
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| Abb. 1: Epigenetische Reprogammierungen während der Embryo-Entwicklung (obere Reihe), sowie die Blut-Hoden-Schranke, die wichtig ist bei der Heranreifung der männlichen Samenzellen (untere Reihe) (aus: 1) |
Die Mechanismen allerdings, über die das geschieht, sind im einzelnen noch keineswegs besonders gut verstanden. Kürzlich ist ein Überblick zum aktuellen Forschungsstand erschienen (2). Er behandelt den Forschungsstand bezüglich von Menschen und nichtmenschlichen Säugetieren, hat also nicht solche Organismen im Blick, über die im einleitenden Video dieses Blogartikels so begeistert und mitreißend berichtet wird.
Dennoch wollen wir ihn im folgenden auswerten. Dieser Überblicksartikel enthält eine solche Fülle an Neuerkenntnissen (für uns), die insgesamt von Bedeutung sind, wenn man sich in diesem Forschungsgebiet zurecht finden will. Dieser Überblick enthält also ebenso wie das Video viele Erkenntnisse, über die man erst in den letzten zehn Jahren angefangen hat, Klarheit zu gewinnen. Deshalb erfährt auch der Autor dieser Zeilen (dessen Biologiestudium 25 Jahre zurück liegt) bei diesen Gelegenheiten zum ersten mal von ihnen. Es wird inzwischen viel genauer der Frage nachgegangen, über welche Wege epigenetische Programmierungen eines erwachsenen Menschen oder eines erwachsenen Tieres an die Nachkommenschaft weiter gegeben werden können und in welchen Lebensphasen das geschiehen könnte (Abb. 1).
Die Einsichten sind zugleich auch in der Grafik, die dieser Studie entnommen wurde, übersichtlich zusammengefaßt (Abb. 1).
Was geschieht vor der Zeugung, was während der Zeugung, was in den Tagen und Wochen danach?
Es gibt vieles, was einem auch als biologisch hinreichend gebildeten Menschen hier zum ersten mal klar werden kann. Dazu gehört zum Beispiel der Umstand, daß auch voll entwickelte Samen- oder Eizellen eines Menschen oder Säugetieres ausdifferenzierte, spezialisierte Zellen sind. Und zwar so wie (fast) jede andere Zellart des Körpers auch. Denn sie weisen eine ähnlichen Methylisierungsgrad auf wie die sonstigen Körperzellen. Allerdings: Es stehen dabei die (männlichen) Samenzellen dem typischen epigenetischen Methylisierungsgrad ausdifferenzierter Körpergewebe (etwa 80 %) deutlich näher als die (weiblichen) Eizellen. Der epigenetische Methylisierungsgrad liegt bei diesen nur bei etwa 50 % liegt (Abb. 1). Ohne dem vorläufig weiter nachzugehen, schreiben wir erst mal hin: Der Grund dürfte vielleicht einfach nur sein, daß Samenzellen - wie andere Körperzellen auch - eine ganze Menge mehr "leisten" müssen auf ihrem Weg zur Eizelle als die Eizelle "leisten" muß, um sich befruchten zu lassen und in die Gebärmutter zu gelangen. (Das mag jetzt eine laienhafte Annahme sein. Wenn jemand unter Lesern dazu etwas Genaueres weiß, bitte mitteilen.)
In der Samenzelle wird der Methylisierungsgrad, der für ausdifferenzierte Körperzellen typisch ist, auf dem Weg hin zur Eizelle schon abgebaut (Abb. 1), so daß bei der Vereinigung der beiden Zellen beide in etwa den gleichen Methylisierungsgrad aufweisen. (Ohne jetzt genaueres zu wissen, könnte ich mir denken, daß dieser Abbau des Methylisierungsgrades innerhalb der Samenzelle vor allem direkt vor der Vereinigung oder unmittelbar danach geschieht.)
In den ersten zwei Wochen der Embryonalentwicklung nun geht der Methylisierungsgrad noch weiter zurück ("Post-Fertilization Reprogramming"), während dann ab der zweiten Woche der Methylisierungsgrad wieder zunimmt.
Aber nun wohlgemerkt: Diese Umstände sind deshalb so wichtig, weil wenn über diese Methylisierung erworbene Eigenschaften an die folgende Generation weiter gegeben werden sollen, muß es ja dafür noch "Restbestände" dieser Methylisierung geben. Und wie groß diese "Restbestände" an Methylisierung in den jeweiligen Lebensphasen der hier wichtigen Zellen sind, das eben wird in dieser Grafik (Abb. 1) dargestellt.
Wobei vorbehaltlich gesagt sein soll, daß Methylisierung nicht zwangsläufig der einzige Weg sein muß, über den erworbene Eigenschaften weiter gegeben werden können. In der hier benutzten Studie wird auch auf mehrere andere Möglichkeiten eingegangen. Aber Methylisierung spielt auf jeden Fall eine sehr wichtige Rolle. Und sichtbar ist eben, daß zu allen Zeiten "Restbestände" von Methylisierung übrig sind, so daß Methylisierung zumindest vom Prinzip her ein Weg sein kann, auf dem erworbene Eigenschaften von einer an die nächste Generation weitergegeben werden können.
Es ist nun auch außerordentlich spannend, sich klar zu machen, daß innerhalb des Embryos schon ab der fünften Schwangerschaftswoche die Heranreifung der Keimzellen (je nach Geschlecht: Ei- oder Samenzellen) beginnt und - was nun den Methylisierungsgrad betrifft, einen ganz anderen Weg einschlagen als das ganze übrige Körpergewebe des Embryos (Abb. 1). Während das übrige Körpergewebe des Embryos schon spätestens ab der achten Schwangerschaftswoche im Durchschnitt wieder das Methylisierungsmuster typischer ausdifferenzierter Körperzellen ausweist, findet in den künftigen Keimzellen des Embryos etwas ganz anderes statt, nämlich - - - erneut eine "Reprogrammierung" der Methylisierung. Die Methylisierung geht dabei auf fast 10 % zurück! Und erst zwischen der 16. und 19. Schwangerschaftswoche wird hier der Methylisierungsgrad wieder erreicht, der dann auch noch im Erwachsenenalter vorliegt.
Auf all diesem ergeben sich zunächst zwei Schlußfolgerungen: Genomische Prägungen können die "Reprogrammierung" nach der Befruchtung womöglich leichter überstehen als bei der Heranreifung der neuen Keimzellen (!). Das heißt, die Tochter-Generation kann - vom Prinzip her - mehr von den "erworbenen Eigenschaften" abkriegen als - zumindest auf direktem Weg (sprich noch während der Schwangerschaft) - die Enkelgeneration. Natürlich kann auch die Tochter während ihres Lebens Eigenschaften erwerben, die sie dann an ihre Kinder weiter gibt und diese können dann die direkt von der Großelteren-Generation weiter gegebenen Eigenschaften verstärken oder abschwächen.
Wohlgemerkt, soweit das über den Methylisierungsgrad geschehen würde. So möchten wir das also alles erst einmal beim ersten Augenschein formulieren. Wobei es in der Studie heißt, daß es für die Vererbung erworbener Eigenschaften, die die Reprogrammierung nach der Befruchtung überstehen, schon mehr empirische Daten gibt, als für die Vererbung erworbener Eigenschaften, die auch noch die Reprogrammierung bei der Heranreifung der neuen Keimzellen überstehen (!). Das sei noch einmal im Originaltext zitiert (2, S. 7):
Das Ausmaß, in dem geprägte Regionen durch die Umwelt verändert werden und später an nachfolgende Generationen weiter gegeben werden können (z.B. über Generationen hinweg, indem sie die Reprogrammierung der heranwachsenden Keimzellen überstehen), ist weniger gut dokumentiert.Aber nun kommen noch weitere Umstände hinzu. Im Blut eines jeden Körpers kursiert "nicht kodierende" RNA (in Abb. 1: ncRNA). Dabei handelt es sich um Erbinformation, die zwar nicht zwangsläufig "funktionslos" sein muß, die aber zumindest keine Eiweißmoleküle kodiert. Das ist mit "nichtkodierend" gemeint. Das heißt nicht zwangsläufig, daß sie nicht dennoch auf die Genablesung, bzw. auf dem Methylisierungsgrad Einfluß nehmen könnte. Und diese RNA-Moleküle kursieren nun im Blut innerhalb von sogenannten "Exosomen". Wenn Sie, lieber Leser, noch nie etwas von solchen "Exosomen" gehört haben: Dem Autor dieser Zeilen geht es ebenso! (Wessen Biologiestudium 25 Jahre zurück liegt, muß ganz schön wach bleiben, um alles mitzukriegen und zu verstehen, was an der vordersten Front der Forschung alles so geschieht.) Jedenfalls kann natürlich auch in dieser RNA Information enthalten sein. Und diese könnte ebenfalls modifizierende Einlfüsse der Umwelt als Gedächtnis enthalten und mit dieser Information Einfluß nehmen auf die Reprogrammierung in den heranreifenden Keimzellen im Embryo und auch noch während des Erwachsenenalters - wenn sie denn eine "Schranke" überwinden könnte, von deren Existenz der Autor dieser Zeilen bislang auch nichts wußte, nämlich die "Blut-Hoden-Schranke". Verrückt.
The extent to which imprinted regions are modified by the environment, and later transmitted to subsequent generations (i.e., transgenerationally by passing through primordial germ cell reprogramming) is less well documented.
Es gibt wohl schon eine gewisse Durchlässigkeit dieser Blut-Hoden-Schranke. Aber wie sie beschaffen ist, muß noch weiter erforscht werden. So viel sollten hier nur einige Grundkenntnisse zum neuesten Kenntnisstand mitgeteilt werden.
Nun gibt es aber auch noch jenen israelischen Wissenschaftler Oded Rechavi, der im Video eingangs zu Wort gekommen war, und der auch anhand des Modellorganismus Fadenwurm aufgezeigt hat, daß Erinnerungen nicht nur über die DNA, sondern auch über die schon genannte, evolutionär ältere RNA weiter gegeben werden können.
Aber was uns zunächst am bedeutsamsten erscheint: Er hat auch gefunden, daß es im Fadenwurm-Genom eine Uhr dafür gibt, für wie viele Generationen eine solche Erinnerung vererbt wird, eine Uhr, die sogar so eingestellt werden kann, daß die Erinnerung für immer weiter vererbt wird. Und könnte damit dann nicht insgesamt Artbildung erklärt werden vom Prinzip her? Diese Uhr, bzw. diesen Mechanismus hat Rechavi "Motek" genannt, das heißt im Hebräischen "süßes Herz".
Motek ist aber eigentlich die Abkürzung für "MOdified Transgenerational Epigenetic Kinetics" (3). Im Vortrag (Video) übrigens macht er so seine Scherze. Er weist einleitend daraufhin, daß frühere Forscher zu ähnlicher Thematik kein so schönes Lebensende gehabt hatten oder er erwähnt Beschneidungen, die aufzeigen würden, daß August Weismann sich seine berühmten Versuche zur Vererbung erworbener Eigenschaften hätte sparen können. Dieser hatte nämlich generationenlang Mäusen Schwänze abgeschnitten, ohne daß die Eigenschaft kürzere Schwänze dann vererbt worden wäre. Köstlich. Ach ne, ähm: Wissenschaft. ;-)
- Oded Rechavi: Transgenerational Biology - The Biology of Heritable Memories. TEDxVienna, 06.12.2019, auf: TEDx Talk, https://www.the-scientist.com/videos/inheriting-memories-66954.
- Calen P Ryan, Christopher W Kuzawa: Germline epigenetic inheritance: Challenges and opportunities for linking human paternal experience with offspring biology and health. In: Evolutionary Anthropology, March 2020, DOI: 10.1002/evan.21828 (Researchgate)
- http://www.odedrechavilab.com/research-6/2019/5/28/transgenerational-small-rna-inheritance.
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