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Der Kuhstall und die Genetik von Asthma

Atemnot beim Fußballspiel, pfeifende Atmung, Hustenattacken – Asthma bronchiale ist für Kinder und Jugendliche eine enorme Belastung. Wissenschaftler kennen heute viele Gene, die für die Entstehung der chronischen Lungenerkrankung eine Rolle spielen. Einige dieser Gene hat die Arbeitsgruppe von Dr. Andrea Heinzmann an der Universitäts-Kinderklinik Freiburg untersucht. Seit einigen Jahren interessieren sich die Forscher aber auch für sogenannte epigenetische Faktoren. Denn für die Entstehung der Krankheit sind nicht nur genetisch vererbbare Defekte verantwortlich, sondern auch Mechanismen, die Gene beeinflussen, ohne den genetischen Code zu verändern. Diese Mechanismen sind sensibel gegenüber Einflüssen aus der Umwelt und können sogar vererbt werden. Was hat das Leben auf einem Bauernhof oder das Rauchverhalten einer Mutter während der Schwangerschaft mit den molekulargenetischen Vorgängen während der Entstehung von Asthma zu tun?

Die menschliche Lunge im CT © Andreas Heinemann/Zeppelinzentrum Karlsruhe

Asthma bronchiale ist die häufigste chronische Erkrankung im Kindesalter. Jedes zehnte Kind leidet unter der Verengung von Bronchien und einer vermehrten Schleimbildung in der Lunge, die durch eine chronische Entzündung der kleinen Atemwege ausgelöst werden. Neunzig Prozent der von Asthma betroffenen Kinder haben außerdem Allergien. Starker Husten, Atemnot während sportlicher Anstrengungen und Schwierigkeiten beim Ausatmen sind typische Symptome. Teilweise über Jahre hinweg müssen Betroffene Asthmaspray oder Tabletten einsetzen, um akute oder chronische Entzündungsherde in der Lunge zu bekämpfen. „Es ist sehr wichtig, mögliche Ursachen für die Entstehung der Erkrankung zu identifizieren“, sagt Privatdozentin Dr. Andrea Heinzmann von der Universitäts-Kinderklinik Freiburg. „Neue Medikamente könnten früher ansetzen und präventiv wirken.“

Tiere und die Ebene über den Genen

Schützen häufige Bauernhofbesuche Kinder vor Asthma? © wikipedia

Es ist bekannt, dass genetische Ursachen eine wichtige Rolle spielen. Rund hundert Gene kennen Forscher heute, die etwas mit der Entstehung des Asthma bronchiale zu tun haben. Es sind dies zum Beispiel Gene, die für das Immunsystem wichtig sind. Defekte in diesen Genen fördern chronische Entzündungen in der Lunge. Aber neben den genetischen Faktoren entdeckten Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten immer häufiger auch Umweltfaktoren, die Asthma im Kindesalter begünstigen. So zeigt sich, dass Kinder, die schon früh mit einem Bauernhof in Kontakt kamen, seltener Asthma haben. Offenbar stärkt der Umgang mit Stalltieren und deren Keimspektrum das Immunsystem. Umgekehrt ist eine starke akute Belastung mit Allergenen wie etwa Hausstaubmilben eher förderlich für die Entstehung der Krankheit. Außerdem ist es von Bedeutung, ob eine Mutter bereits Asthma hat. Ein vierter Faktor ist schließlich das Verhalten der Mutter während der Schwangerschaft. „Kinder von Müttern, die während der Schwangerschaft rauchen, werden mit größerer Wahrscheinlichkeit Asthma haben“, sagt Heinzmann.

Das Erbgut wird in den Zellen mit Hilfe von speziellen Proteinen (den Histonen) in Form sogenannter Nukleosomen (hier das Nukleosom einer Fruchtfliege) verpackt. Epigenetische Mechanismen können den Verpackungsgrad und damit die Zugänglichkeit des Ergbutes gegenüber den Transkriptionsenzymen regulieren. © Wikipedia

Wie beeinflussen diese Umweltfaktoren die molekularen Vorgänge in den Zellen, die schließlich zur Lungenerkrankung führen? In den letzten Jahren wird immer deutlicher, dass hier epigenetische Effekte eine Rolle spielen. Als epigenetische Effekte bezeichnen Forscher Einflüsse, die nicht direkt die Sequenz eines Gens verändern, sondern eher die Verpackung des Erbguts in den Zellen beeinflussen und so die Aktivität eines Gens regulieren. Inzwischen kennen Forscher zum Beispiel Enzyme, die der DNA kleine Methyl-Moleküle anhängen können. Bereiche, die auf diese Weise markiert werden, können in den meisten Fällen nicht mehr transkribiert werden. Das Gen wird gewissermaßen stumm geschaltet. Die Wirkung ist ähnlich wie bei einem Gendefekt, bei dem die Struktur des Gens zerstört wurde: Das Protein, für das das Gen codiert, wird nicht mehr hergestellt und kann damit seine Funktion nicht erfüllen. Im Gegensatz zu einem Gendefekt kann eine epigenetische Veränderung jedoch durch einen direkten Umwelteinfluss wie etwa die Ernährungsweise ausgelöst werden. Es gibt eine ganze Reihe von solchen epigenetischen Mechanismen, die letztlich das Verhalten von Zellen verändern können.

Unterschiede in den epigenetischen Mustern?

„Unsere Arbeitsgruppe hat sich in den letzten zwei Jahren auf die Rolle der Epigenetik bei der Entstehung von Asthma konzentriert“, sagt Heinzmann. Neben der Suche nach Genen, die für die Erkrankung eine Rolle spielen, durchforsten die Freiburger Forscher also auch genetisches Material von Patienten, um epigenetische Veränderungen zu finden. Sie versuchen dabei auch zu klären, ob Umweltfaktoren hier wirklich eine Rolle spielen. Zu diesem Zweck führen sie gerade eine Studie durch, bei der sie Blut aus der Nabelschnur von gerade geborenen Babys entnehmen. Diese Kinder gehören zu einer von vier Experimentalgruppen. Entweder rauchte ihre Mutter während der Schwangerschaft, hatte selbst Asthma, hatte täglich Kontakt mit einem Bauernhof oder ist normal gesund. Heinzmann und Co scannen ganze Chromosomen der jeweiligen Kinder und versuchen Stellen zu finden, die epigenetisch verändert sind. Wie unterscheiden sich diese Stellen in den vier Experimentalgruppen? Finden die Forscher Unterschiede in den epigenetischen Mustern der verschiedenen Experimentalgruppen, so lassen sich Aussagen über die Wirkung unterschiedlicher Umwelteinflüsse auf die Epigenetik der Probanden machen.

„Wir haben jetzt rund hundert Regionen im Erbgut unserer Probanden gefunden, die epigenetische Variationen aufweisen“, sagt Heinzmann. „Wir müssen als nächstes klären, ob diese Regionen für Proteine codieren.“ Ist das der Fall, dann wäre interessant, ob diese Proteine im Zusammenhang mit Asthma bereits bekannt sind oder ob sich mit dieser Methode neue, zusätzliche Gene für Asthma identifizieren lassen. In beiden Fällen ließe sich aber möglicherweise ein direkter Link zwischen der Umwelt des Kindes (Gebärmutter) und der molekularen Ebene, die für die Entstehung der Krankheit verantwortlich ist, aufzeigen. Dann müssten Forscher als nächstes klären, wie die epigenetischen Veränderungen zustande kommen. Und ob sie sich durch Medikamente beeinflussen lassen. Denn das würde ganz neue Angriffspunkte für eine präventive Medizin enthüllen.

Glossar

  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
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