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Julius Kühn-Institut (JKI)
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

Institutsleitung
Dr. Ralf Wilhelm

Adresse
Erwin-Baur-Str. 27
06484 Quedlinburg

Sekretariat
Yvonne Ulrich
Tel: 03946 47-502
Fax: 03946 47-500
sb@  julius-kuehn.  de

Veröffentlichung
Institutsflyer
Broschüre

Genveränderungen und Epigenetik

Im Laufe des Lebens einer Zelle treten vielfache Veränderungen auf. Nicht alle Veränderungen, die wir von außen registrieren, sind jedoch tatsächlich auf Mutationen in den Genen zurückzuführen. Einige sind Folgen von Einflüssen aus der Umwelt. Sie werden als epigenetische Veränderungen bezeichnet. Im Arbeitsbereich wird untersucht, auf welche Weise eingeführte Fremdgene in ihrer Expression variieren und welche möglichen epigenetischen Mechanismen hieran beteiligt sind.

In vielzelligen Organismen herrscht Arbeitsteilung unter verschiedenen Zelltypen und Geweben. Obwohl alle Zellen die gleichen Chromosomen und Gene enthalten, sind nicht alle Gene in jeder Zelle zu jeder Zeit aktiv. Es existieren viele Mechanismen, die Gene an- oder auszuschalten oder die Produktion der Genprodukte (Enzyme oder Proteine) anzukurbeln oder herunter zu regulieren. Wir untersuchen einige dieser vielfältigen Steuerungsmechanismen der Genexpression.

Da wären zunächst die Promotoren, das sind Nukleotidsequenzen in Kontrollregionen, die die Expression unterschiedlicher Gene regulieren und variieren. Sie lassen sich mit An- und Ausschaltern vergleichen. Denn entweder wird die Genregion abgelesen oder eben nicht.

Das Genom ist nicht gleichmäßig verpackt, so dass manche Genomabschnitte wie etwa Heterochromatin schwerer oder gar nicht für die Transkription ablesbar sind. Modifikationsenzyme markieren Genomregionen an spezifischen DNA-Orten und an Verpackungsproteinen (Histonen) mit chemischen Flaggen. Das sind beispielweise Methyl- oder Acetylgruppen. Sie beeinflussen durch ihr Vorhandensein die Expressionsaktivität der Gene in der Nähe dieser schwer zugänglichen Bereiche des Genoms.

Dann gibt es die RNAi-abhängige Genregulation. Hier werden durch eine Vielzahl kleiner RNAs (microRNAs, siRNAs), die in der Zelle natürlicherweise vorkommen oder beispielsweise während einer Virusinfektion gebildet werden, jeweils bestimmte Genkopien, die aus dem Zellkern kommen (Gentranskripte) zum schnellen Abbau in der Zelle gekennzeichnet. Indem bestimmte Kopien vorher zerstört werden, werden weniger funktionstüchtige Proteine (Genprodukte) produziert. Diese Art der Regulierung könnte man mit einem Dimmvorgang vergleichen.

Die meisten Expressionsmuster der unterschiedlichen Zelltypen werden während der Entwicklung des Organismus angelegt. Doch diese Entwicklung ist nicht starr programmiert, sondern unterliegt Einflüssen aus der Umwelt. Damit wird gewährleistet, dass die Zellen ihr Verhalten zu einem gewissen Grad ihren Lebensbedingungen anpassen können. So muss man nicht erst auf zufällig passende Nukleotid-Mutationen in der nachfolgenden Zellgeneration warten, um angepasste Individuen ausfindig zu machen. Diese durch Umwelteinflüsse veränderte Programmierung von Genexpressionsmustern kann an Tochterzellen weitergegeben werden. Die Vererbung erworbener Genexpressionsmuster wird als Epigenetik bezeichnet.

Auch artfremde Gene, die neu in das pflanzliche Genom eingeführt werden, unterliegen epigenetischen Einflüssen. Wie stark ein Fremdgen abgelesen und sein Produkt auch hergestellt wird oder ob es komplett still gelegt wird, wird durch epigenetische Faktoren maßgeblich mitbestimmt.