Epigenetik von A – Z: J wie Junk-DNA

Liebe Leserinnen und Leser,

in dieser Artikelreihe ermöglichen wir Ihnen einen Überblick und das grundlegende Verständnis dazu, warum aus unserer Sicht die Kenntnis der epigenetischen Zusammenhänge in unserem Körper Grundlage und Schlüssel der Prävention und Gesundung, insbesondere bei chronischen Erkrankungen darstellt. Wir versuchen Sie dabei, so weit wie möglich, von bio-medizinischem Fachjargon zu verschonen und stellen Zusammenhänge auf dieser Ebene ggf. vereinfacht dar. In diesem Sinne wünschen wir Ihnen erhellende und gesundmachende Erkenntnisse.

Inhaltsverzeichnis:

Der Begriff "Junk-DNA" hat in den letzten Jahren eine grundlegende Neubewertung erfahren. Ursprünglich wurde damit DNA bezeichnet, der keine bekannte biologische Funktion zugeschrieben wurde. Heute ist aber sicher, dass diese nicht-kodierenden DNA-Abschnitte wichtige regulatorische und strukturelle Aufgaben im Genom erfüllen. Beim Menschen macht dieser Anteil etwa 97-98% des Genoms aus [1].

Junk-DNA spielt eine wichtige Rolle bei der dreidimensionalen Organisation des Genoms. Durch Schleifenbildung können regulatorische Elemente und Gene in räumliche Nähe gebracht werden, was die Genexpression beeinflusst.

Einige Junk-DNA-Elemente, wie Transposons (mobile genetische Elemente, die ihre Position innerhalb des Genoms verändern können), können zur genomischen Variation beitragen und somit eine Quelle für evolutionäre Anpassungen sein [2].

Ein wichtiger epigenetischer Mechanismus zur Kontrolle der Junk-DNA ist die schon früher beschriebene DNA-Methylierung. Viele repetitive Elemente und virale Sequenzen in der Junk-DNA werden durch Methylierung stillgelegt, um ihre potenziell schädliche Aktivität zu unterdrücken. Auch Veränderungen an den Histonproteinen, um die die DNA gewickelt ist, können die Aktivität von Junk-DNA-Elementen beeinflussen. Diese Modifikationen können die Zugänglichkeit bestimmter DNA-Abschnitte für Transkriptionsfaktoren regulieren.

Forschungen haben etwa gezeigt, dass Junk-DNA-Elemente bei Fehlfunktion der epigenetischen Kontrolle aktiviert werden und zur Krebsentstehung beitragen können. Beispielsweise wurde beim Hodgkin-Lymphom nachgewiesen, dass aktivierte LTRs (long terminal repeats) das Überleben von Krebszellen fördern können [3].

Info: Long Terminal Repeats (LTRs) sind spezifische DNA-Sequenzen, die an den Enden von Retrotransposons vorkommen. Sie spielen eine bedeutende Rolle in der Genomstruktur und -funktion, sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren.

Die sogenannte „Junk-DNA“ hat zudem einen entscheidenden Einfluss bei der Entwicklung des menschlichen Gehirns gespielt. Untersuchungen einer schwedischen Gruppe haben gezeigt, dass Unterschiede in der Junk-DNA zwischen Menschen und Schimpansen eine wichtige Rolle in der Entwicklung des menschlichen Gehirns gespielt haben [4]. Strukturelle Varianten in nicht-kodierenden DNA-Regionen beeinflussen dabei die Aktivität neuronaler Gene und tragen zur Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns bei.

Dass die Junk-DNA bei wichtigen epigenetischen Vorgängen eine wichtige Funktion hat, ist schon weiter oben beschrieben worden und konsequenterweise können Umweltfaktoren die epigenetischen Wirkungen der Junk-DNA beeinflussen.

In diesem Zusammenhang bietet die DNA-Methylierung von Junk-DNA-Elementen die Möglichkeit, als Biomarker für Umweltbelastungen zu dienen. Studien haben gezeigt, dass Umweltfaktoren wie Schadstoffe epigenetische Veränderungen, einschließlich der DNA-Methylierung, hervorrufen können, die als Indikatoren für frühere Expositionen verwendet werden können.

Junk-DNA enthält viele repetitive Elemente wie LINE-1 und Alu-Sequenzen, die reich an CpG-Stellen sind und häufig stark methyliert werden, um ihre Aktivität zu unterdrücken. Veränderungen in der Methylierung dieser Elemente können auf Umweltbelastungen hinweisen [5]. Verschiedene Umweltfaktoren, wie Luftverschmutzung, Schwermetalle und organische Schadstoffe, können die Methylierungsmuster von DNA beeinflussen. Zum Beispiel wurde eine Hypomethylierung von LINE-1 mit der Exposition gegenüber Luftschadstoffen wie PM2.5, besser bekannt als Feinstaub und schwarzem Kohlenstoff in Verbindung gebracht [6].

Die DNA-Methylierung ist relativ stabil, aber eben auch modifizierbar, was sie zu einem geeigneten Biomarker für die Bewertung chronischer und kumulativer Umweltbelastungen macht. Veränderungen in der Methylierung können über längere Zeiträume bestehen bleiben und somit vergangene Expositionen widerspiegeln. Die Entwicklung spezifischer Methylierungs-Biomarker in Bezug auf die Junk-DNA könnte insofern helfen, die Exposition gegenüber bestimmten Umweltchemikalien zu identifizieren und das Risiko für die Entwicklung von umweltbedingten Krankheiten zu bewerten.

Zunehmende Erkenntnisse über die Funktionen von Junk-DNA haben zu einer Neubewertung des Konzepts geführt. Viele Wissenschaftler argumentieren, dass der Begriff "Junk-DNA" sehr irreführend ist, da diese DNA-Abschnitte wichtige biologische Funktionen erfüllen. Die Diskussion über den Anteil der funktionellen DNA im Genom und die Definition von "Funktion" ist in der Wissenschaft jedoch noch nicht abgeschlossen. Es liegt also noch viel Forschungsarbeit vor uns, die, wie das Beispiel der auf Junk-DNA basierenden Biomarker für Umwelteinflüsse zeigt, durchaus von praktischer Bedeutung ist.

Quellen zur Vertiefung:

Diese wissenschaftlichen Arbeiten und Artikel bieten einen tieferen Einblick in das komplexe Thema der Epigenetik und wie unser Lebensstil unsere genetische Information beeinflussen kann. Es ist faszinierend zu sehen, wie die Wissenschaft ständig neue Erkenntnisse in diesem Bereich entwickelt.

[1] junk DNA - Lexikon der Biologie (spektrum.de))

[2] Fagundes NJR, Bisso-Machado R, Figueiredo PICC, Varal M, Zani ALS. What We Talk About When We Talk About "Junk DNA". Genome Biol Evol. 2022 May 3;14(5):evac055. doi: 10.1093/gbe/evac055. PMID: 35535669; PMCID: PMC9086759.

[3] „Junk“-DNA ist gefährlicher Krebstreiber Charité – Universitätsmedizin Berlin: Charité – Universitätsmedizin Berlin (charite.de)

[4] "Junk-DNA" macht unser Gehirn typisch menschlich - Nicht-codierende Abschnitte im Erbgut steuern unterschiedliche Hirnentwicklung bei Affe und Mensch - scinexx.de

[5] Wright RO, Schwartz J, Wright RJ, Bollati V, Tarantini L, Park SK, Hu H, Sparrow D, Vokonas P, Baccarelli A. Biomarkers of lead exposure and DNA methylation within retrotransposons. Environ Health Perspect. 2010 Jun;118(6):790-5. doi: 10.1289/ehp.0901429. Epub 2010 Jan 11. PMID: 20064768; PMCID: PMC2898855.

[6] Ji H, Khurana Hershey GK. Genetic and epigenetic influence on the response to environmental particulate matter. J Allergy Clin Immunol. 2012 Jan;129(1):33-41. doi: 10.1016/j.jaci.2011.11.008. PMID: 22196522; PMCID: PMC3268704.

[7] Baccarelli A, Bollati V. Epigenetics and environmental chemicals. Curr Opin Pediatr. 2009 Apr;21(2):243-51. doi: 10.1097/mop.0b013e32832925cc. PMID: 19663042; PMCID: PMC3035853.

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