Epigenetik - Helmholtz Zentrum München

Epigenetik - Neue Potenziale für die Medizin 

Innerhalb der Genetik etabliert sich seit einigen Jahren ein neuer 

Forschungszweig, von dem Wissenschaftler hoffen, das er zum Verständnis 

komplexer chronischer Krankheiten beitragen wird: Die Epigenetik, eine 

Wissenschaft, die untersucht, wie übergeordnete Steuerungselemente das 

Genom beeinflussen. Der Deutsche Informationsdienst Gesundheit und 

Umwelt gibt einen Überblick über das neue Forschungsgebiet und zeigt seine 

Bedeutung für die Medizin auf. 

1. Definition und Zweck von Epigenetik 

Warum entwickeln Menschen mit identischem Genom verschiedene 

Krankheiten? Warum können Merkmale vererbt werden, die nicht in 

der DNA-Sequenz festgelegt sind? Warum haben Körperzellen trotz 

gleicher genetischer Ausstattung unterschiedliche Eigenschaften? 

Die klassische Vererbungslehre lässt viele Fragen offen, die nur mit 

einer übergeordneten Genetik, der sogenannten Epigenetik, erklärt 

werden können. Der Begriff „epi“ stammt aus dem Griechischen 

und bedeutet so viel wie „darüber“ oder „obendrauf“. Die Epigenetik 

untersucht, wie übergeordnete Steuerungselemente des Genoms die 

Interpretation der Gene beeinflussen. Epigenetische Mechanismen 

steuern die Aktivität der Gene, ohne die DNA-Sequenz zu verändern, 

sie können Gene quasi an- und abschalten. Dafür stehen dem Körper 

verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, zum Beispiel die chemische 

Modifikation der DNA oder Änderungen ihres Verpackungszustandes 

(siehe Kapitel 2). Die Gesamtheit der epigenetischen Merkmale eines 

Individuums wird – analog zum Genom – als Epigenom bezeichnet 

und scheint vererbbar zu sein. 

Als Forschungsgebiet gewinnt die Epigenetik seit den 1990er Jahren 

an Bedeutung. Da sich die Ausprägung unterschiedlicher Eigenschaften 

beim Menschen nicht allein mit klassischen genetischen 

Faktoren, Lebensstil- und Umwelteinflüssen erklären lässt, setzt die 

Wissenschaft große Hoffnung auf den neuen Forschungszweig. Die 

Epigenetik wird dabei zunehmend als Brücke zwischen Genotyp und 

Phänotyp, also der Ausprägung bestimmter Eigenschaften, verstanden. 

Dass zum Beispiel eineiige Zwillinge verschiedene Krankheiten 

entwickeln, obwohl sich ihr Genom nicht voneinander unterscheidet, 

liegt bei gleichen Umwelteinflüssen wahrscheinlich an ihrem unterschiedlichen 

Epigenom. Epigenetische Mechanismen steuern die genetische 

Ausprägung elternspezifischer Anlagen (genetisches Imprinting) 

und sorgen dafür, dass die Inaktivierung des X-Chromosoms in 

weiblichen Säugetieren aufrechterhalten bleibt. 

2. Epigenetische Werkzeuge 

Wie oben beschrieben, verändern epigentische Phänomene nicht 

die Basenabfolgen der DNA, sondern zum Beispiel ihre Verpackung. 

deutscher informationsdienst 

gesundheit und umwelt 

Modell einer DNA-Doppelhelix 

Foto: Falko Matte/Fotolia 

Helmholtz Zentrum München – Deutscher Infomationsdienst Gesundheit und Umwelt, Ingolstädter Landstraße 1, D-85764 Neuherberg 

Hotline: 089/3187-2710, E-Mail: digu@helmholtz-muenchen.de, Internet: http://www.helmholtz-muenchen.de/digu

- 2 - Epigenetik - Neue Potenziale für die Medizin 

Der Packungszustand der DNA wird durch das Chromatin im Zellkern, 

einem Komplex aus DNA und sogenannten Histonproteinen, 

bestimmt. Der Zustand des Chromatins beeinflusst die Transkription, 

oder, vereinfacht gesagt, das Ablesen der Gene in den entsprechenden 

DNA-Regionen. Dicht gepackte Chromatinbereiche 

erschweren, offene erleichtern dagegen den Zugang von Transkriptionsfaktoren 

zur DNA. Der Zustand des Chromatins und damit der 

Grad der Genexpression kann durch verschiedene epigenetische 

Mechanismen verändert werden (Expression = Synthese von RNA 

und Proteinen). Im Zuge der epigenetischen Veränderung werden 

bestimmte Aminosäuren der Histone acetyliert oder deacetyliert 

(Addition oder Entfernung von Acetylgruppen), phosphoryliert 

(Addition von Phosphatgruppen), methyliert (Addition von Methylgruppen) 

oder ubiquitinyliert (Addition von Ubiquitin). Acetylierte 

Histone führen zum Beispiel dazu, dass sich die Struktur des Chromatins 

auflockert und Gene abgelesen werden können. 

Ein weiteres wichtiges Werkzeuge der Epigentik ist die DNA-Methylierung: 

Indem in bestimmten Genabschnitten Methylgruppen 

an die Base Cytosin addiert werden, kann die Expression der DNA 

unterdrückt, das Gen also quasi stillgelegt werden. Die Methylierung 

des Cytosins geschieht in den CpG-Inseln der DNA. Diese Regionen 

sind durch eine erhöhte Dichte der Basenabfolge Cytosin und Guanin 

(Cytosin-phophatidyl-Guanosin oder CpG) gekennzeichnet. Eine 

Gruppe isländischer und US-amerikanischer Forscher konnte kürzlich 

zum ersten Mal nachweisen, dass sich die DNA-Methylierung 

in den CpG-Inseln im Laufe des Lebens verändert. Dafür haben 

die Wissenschaftler die DNA von 111 Isländern und 126 US-Amerikanern 

analysiert. Wie die Untersuchung ergab, veränderte sich 

bei acht bis zehn Prozent der Studienteilnehmer der DNA-Methylierungsgrad 

innerhalb eines Zeitraums von elf bis 16 Jahren um 

mehr als 20 Prozent. Die Daten aus der US-amerikanischen Teilstudie 

zeigten außerdem, dass Veränderungen im Methylierungsgrad 

gehäuft in Familien auftreten, woraus die Autoren folgern, dass die 

DNA-Methylierung unter genetischer Kontrolle steht. 

3. Einfluss von Lebensstil- und Umweltfaktoren 

Das Epigenom eines Menschen ist nicht starr, sondern wird durch 

Umwelt- und Lebensstilfaktoren beeinflusst. So führen beispielsweise 

bestimmte Nährstoffe dazu, dass Methylgruppen an die Base 

Cytosin in den CpG-Inseln der DNA angehängt werden. Eine der 

am häufigsten zitierten Studien zu diesem Thema veröffentlichten 

die US-Amerikaner Robert Waterland und Randy Jirtle 2003 in der 

Fachzeitschrift „Molecular and Cellular Biology“. Die Forscher gaben 

krankheitsanfälligen, gelben Mäusen, bei denen das sogenannte 

Agouti-Gen exprimiert wird, während ihrer Trächtigkeit Folsäure, Vitamin 

B12, Cholin und Betain. Die Nährstoffe sorgten dafür, dass an 

den CpG-Inseln vor dem Agouti-Gen Methylgruppen an das Cytosin 

addiert wurden. Die Folge: Bei den Nachkommen wurde das Gen 

abgeschaltet, sie waren braun, schlank und hatten kein erhöhtes 

Krankheitsrisiko. Nachfolgende Studien belegen, dass Nährstoffe 

wie Folsäure und Vitamin B12 nicht nur die DNA-Methylierung und 

damit die Eigenschaften der direkten Nachkommen, sondern auch 

die der darauffolgenden Generationen beeinflussen. 

Auch bestimmte Schadstoffe können den Methylierungsgrad der 

DNA verändern, und zwar ebenfalls über mehrere Generationen 

Epigenetische Mechanismen sind 

für die Inaktivierung der X-Chromosomen 

in weiblichen Säugetieren verantwortlich. 

Foto: Sebastian Kailitzki/Fotolia 

Der Zustand des Chromatins kann durch 

epigenetische Mechanismen verändert 

werden, im Bild: Modell von Chromatin. 

(Helmholtz Zentrum München) 



hinweg, wie Studien zeigen. Vor einigen Jahren hat zum Beispiel 

eine US-amerikanische Forschergruppe trächtige Ratten mit hormonell 

wirksamen Pflanzenschutzmitteln behandelt. Die männlichen 

Nachkommen dieser Ratten wiesen eine verringerte Spermienaktivität 

auf und waren häufig unfruchtbar. Die Wissenschaftler konnten 

diesen Effekt nicht nur bei den direkten männlichen Nachkommen, 

sondern auch bei den Enkeln und Urenkeln beobachten. DNA-Analysen 

ergaben, dass die Fortpflanzungsfähigkeit in der männlichen 

Linie mit der Rate der DNA-Methylierung korrelierte. 

4. Epigenetik und chronische Krankheiten 

Bedeutend ist die Epigenetik auch für das Verständnis von komplexen, 

chronischen Krankheiten. Am weitesten fortgeschritten ist die 

epigenetische Forschung zum Thema Krebs. Bereits seit den 1980er 

Jahren weiß man, dass neben DNA-Polymorphismen bzw Mutationen 

auch fehlerhafte epigenetische Kontrollmechanismen zur Entstehung 

zahlreicher Krebsarten beitragen. Zunächst konzentrierte 

sich die Wissenschaft auf die fehlerhafte Methylierung der DNA: Bei 

nahezu allen Tumorarten unterscheidet sich das Methylierungsmuster 

von Krebszellen von dem gesunder Zellen. Durch Hypermethylierung 

bestimmter Genregionen werden zum Beispiel sogenannte 

Tumorsupressorgene ausgeschaltet, die im unmethylierten Zustand 

eine unkontrollierte Zellteilung bremsen. 

Neben der DNA-Methylierung rückt seit einigen Jahren auch die 

Histonacetylierung stärker in den Fokus der Krebsforschung. Ähnlich 

wie die Hypermethylierung beeinflusst die fehlerhafte Acetylierung 

der Histone die Expression von Genen, die Einfluss auf die 

Krebsentstehung haben. Ursache dafür ist eine abnorme Aktivität 

der Histondecaroxylasen (HDACs), Enzymen, die zur Deacetylierung 

der Histone führen. 

Nicht nur Krebs, sondern auch andere Krankheiten scheinen unter 

dem Einfluss epigenetischer Prozesse zu stehen, etwa Asthma, 

Diabetes mellitus und COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung). 

Erste Studien liefern bereits Hinweise auf fehlerhafte epigenetische 

Mechanismen. So ist bei Asthmapatienten die Aktivität 

des Enzyms Histonacetylase (HAT) erhöht. Histonacetylasen sind im 

Gegensatz zu den Histondeacetylasen nicht für die Deacetylierung, 

sondern für die Acetylierung der Histonproteine verantwortlich. Eine 

erhöhte HAT-Aktivität führt vermutlich zu einer verstärkten Expression 

von Entzündungsgenen, die an der Entwicklung von Asthma 

beteiligt sind. Bei COPD ist dagegen die Aktivität eines bestimmten 

HDAC-Enzyms (HDAC2) erniedrigt. Die verringerte Aktivität des Enzyms 

in Lungengewebe, Bronchial- und Immunzellen korreliert mit 

der Schwere der Krankheit und dem Entzündungsstatus bei 

COPD-Patienten. 

5. Perspektive: Epigenetisch wirksame Arzneien 

Langfristiges Ziel der epigenetischen Forschung ist es, Medikamente 

zur Therapie von chronischen Krankheiten zu entwickeln. Am besten 

untersucht sind Wirkstoffe, die in epigenetische Prozesse bei der 

Krebsentstehung eingreifen. Im Fokus stehen derzeit vor allem zwei 

Substanzklassen: Hemmstoffe der DNA-Methyltransferase (DNMT- 

Inhibitoren) und Hemmstoffe der Histondeacetylasen (HDAC-Inhibitoren). 

Während DNMT-Inhibitoren die DNA-Methylierung bremsen, 

Epigenetik - Neue Potenziale für die Medizin - 3 - 

Das bessere Verständnis von epigenetischen 

Mechanismen eröffnet 

Perspektiven für neue Medikamente. 

Foto: Helmholtz Zentrum München 




kehren HDAC-Inhibitoren wie beispielsweise Valproinsäure oder 

Trichostatin A die Deacetylierung der Histone um. In den USA sind 

bereits erste epigenetisch wirksame Medikamente zur Behandlung 

bestimmter Tumorkrankheiten auf dem Markt, etwa der HDAC-Hemmer 

Vorinostat und der DNMT-Inhibitor 5-Azacytidin. In Deutschland 

gibt es bisher keine derartigen Medikamente, jedoch hat der 

Pharmakonzern Merck Sharp & Dohme Ende 2007 die Zulassung 

für den HDAC-Hemmer Vorinostat zur Behandlung fortgeschrittener, 

nicht beeinflussbarer T-Zell-Lymphome der Haut beantragt. Mit der 

Zulassung durch die Europäische Arzneimittelbehörde rechnet das 

Unternehmen im Frühjahr 2009. 

Trotz der Forschungserfolge sind bei der Entwicklung epigenetisch 

basierter Therapien noch viele Fragen offen. Die Mechanismen der 

HDAC-Hemmer beispielsweise sind bisher noch weitgehend unklar. 

Kaum untersucht ist außerdem, ob epigenetisch wirksame Substanzen 

auch die normale Zellphysiologie verändern oder chemotherapeutische 

Therapien beeinflussen. Bis Medikamente, die in epigenetische 

Prozesse eingreifen, in Deutschland breite Anwendung 

finden, werden voraussichtlich noch mehrere Jahre vergehen. 

Weiterführende Informationen 

BioPro – Das Biotech/Life Science Portal Baden-Württemberg: Epigenetische 

Vererbung – die Rehabilitierung von Lamarck, 2007 

http://www.bio-pro.de/de/life/thema/03951/index.html 

Deutsches Krebsforschungszentrum: Lungenkrebs früher erkennen. 

In: Online-Zeitung Mensch & Krebs, 2008 

http://mensch-und-krebs.net/modules.php?op=modload&name=Pa 

gEd&file=index&topic_id=27&page_id=549 

Helmholtz Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren: Auf die 

Verpackung kommt es an. In: Komplexe Systeme verstehen, Jahresheft 

2003 

http://www.helmholtz.de/fileadmin/user_upload/publikationen/pdf/ 

Helmholtz_Jahresheft_03.pdf 

Helmholtz Zentrum München, Institut für Toxikologie: Epigenetische 

Kontrolle: Rolle von Histondeacetylasen (HDACs) in der Tumorentstehung. 

http://www.helmholtz-muenchen.de/toxi/arbeitsgebiete/ 

epigenetische-kontrolle-rolle-von-histondeacetylasen-hdacs-in-dertumorentstehung/hintergrund/index.html 

Helmholtz Zentrum München: Broschüre „Vom Labor in die Klinik - 

Translationale Forschung in der GSF“, S. 48-52 

http://www.helmholtz-muenchen.de/publikationen/broschueren/ 

translationale-forschung/index.html 

Hohmann, C.: Auf Stress programmiert. In: Pharmazeutische Zeitung, 

online, 2008 

http://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=6438 

Hohmann C.: Krebs ohne Mutationen. In: Pharmazeutische Zeitung, 

online 2008 


Nationales Genomforschungsnetz: „Epigenetik – an oder aus? Wie 




Gene reguliert werden. In: Genomforschung heute – Das Nationale 

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Seite 9 

http://www.ngfn.de/image/NGFN_Presseordner_2007.pdf 

Siebenand, S.: Neuer Angriffspunkt in der Krebstherapie. In Pharmazeutische 

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Stand: 

November 2008 

Redaktion: 

Claudia Bär, Deutscher 

Informationsdienst Gesundheit 

und Umwelt 

Wissenschaftliche 

Beratung 

Dr. Thomas Illig, Institut für 

Epidemiologie, Leiter der Arbeitsgruppe 

genetische Epidemiologie 

am Helmholtz Zentrum 

München

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