Epigenetik

Lange wurde das Erbgut vor allem als weitgehend unveränderlicher Bauplan betrachtet. Heute weiß die Forschung, dass die DNA-Sequenz allein nicht bestimmt, welche Gene eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt nutzt. Genau hier setzt die Epigenetik an: Sie untersucht Mechanismen der Genregulation, die die DNA-Sequenz selbst nicht verändern. Das ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Epigenetische Veränderungen werden bei Alterungsprozessen und zahlreichen Erkrankungen untersucht.

Epigenetische Veränderungen sind eines der zwölf Hallmarks of Aging, also der Kennzeichen des Alterns, und zählen im erweiterten Modell von 2023 zu den primären Hallmarks.

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Das Wichtigste in Kürze

Epigenetik beschreibt Mechanismen, die beeinflussen, wie Gene genutzt werden, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz zu verändern. Dazu gehören unter anderem DNA-Methylierung und Veränderungen am Chromatin. Umweltfaktoren und Lebensstil können mit epigenetischen Veränderungen verbunden sein. Besonders gut untersucht sind beispielsweise die Auswirkungen des Rauchens.

Sogenannte epigenetische Uhren nutzen DNA-Methylierungsmuster, um altersbezogene Kennwerte zu berechnen. Für individuelle Gesundheits- oder Therapieentscheidungen sind solche Tests derzeit nicht ausreichend validiert. Auch bei Erkrankungen wie Krebs, Diabetes oder Parodontitis werden epigenetische Veränderungen untersucht. Dabei ist häufig noch nicht eindeutig geklärt, ob sie Ursache, Folge oder Teil eines komplexeren Krankheitsprozesses sind.

Was ist Epigenetik und wie unterscheidet sie sich von der Genetik?

Die Genetik beschäftigt sich mit der DNA-Sequenz, also mit der Reihenfolge der Bausteine unseres Erbguts. Das menschliche Genom enthält rund 20.000 proteincodierende Gene und ist in den meisten Körperzellen weitgehend gleich.

Die Epigenetik untersucht dagegen Regulationsmechanismen, die beeinflussen, welche Abschnitte des Genoms in einer bestimmten Zelle zugänglich und aktiv sind. Die Vorsilbe „epi“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet etwa „auf“ oder „über“.

Warum ist diese Regulation notwendig? Eine Leberzelle, Nervenzelle und Hautzelle besitzen weitgehend dieselbe genetische Information, erfüllen aber völlig unterschiedliche Aufgaben. Dazu tragen unterschiedliche Muster der Genaktivität und Chromatinorganisation bei.

Die Gesamtheit epigenetischer Zustände wird als Epigenom bezeichnet. Einige dieser Zustände können bei der Zellteilung erhalten bleiben und so dazu beitragen, dass eine Zelle ihre spezialisierte Funktion beibehält.

Anschaulich lässt sich das Genom mit einem Buch vergleichen: Der Text bleibt weitgehend derselbe, aber verschiedene Markierungen können beeinflussen, welche Abschnitte leicht zugänglich sind und häufig gelesen werden. Wichtig ist jedoch: Epigenetische Markierungen sind kein einfacher An-Aus-Schalter und lassen sich auch nicht beliebig durch den Lebensstil „programmieren“.

Welche epigenetischen Mechanismen regulieren Gene?

Zu den am besten untersuchten epigenetischen Mechanismen gehört die DNA-Methylierung. Dabei werden kleine chemische Gruppen, sogenannte Methylgruppen, vor allem an bestimmte Cytosin-Bausteine der DNA angefügt.

Welche Wirkung das hat, hängt davon ab, wo sich die Methylierung im Genom befindet. In bestimmten regulatorischen Bereichen eines Gens kann eine stärkere Methylierung mit geringerer Genaktivität verbunden sein. An anderen Stellen kann die Bedeutung jedoch anders aussehen. Die einfache Regel „methyliert bedeutet ausgeschaltet“ gilt daher nicht allgemein.

Ein weiterer wichtiger Mechanismus betrifft die Histone. Das sind Proteine, um die DNA im Zellkern gewickelt ist. DNA und Histone bilden gemeinsam das Chromatin. Chemische Veränderungen an Histonen können beeinflussen, wie dicht bestimmte DNA-Abschnitte verpackt sind und welche regulatorischen Proteine dort binden können.

Auch bestimmte nicht codierende RNA-Moleküle können an epigenetischer Regulation beteiligt sein. Sie können beispielsweise Chromatinstrukturen und die Aktivität bestimmter Genbereiche beeinflussen.

Diese Mechanismen wirken nicht unabhängig voneinander, sondern bilden gemeinsam mit Transkriptionsfaktoren und weiteren Regulationssystemen ein komplexes Netzwerk der Gensteuerung.

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Wie beeinflussen Umwelt und Lebensstil das Epigenom?

Epigenetische Muster können sich durch Entwicklung, Alter, Erkrankungen und Umweltbedingungen verändern. Besonders gut untersucht ist dieser Zusammenhang beim Rauchen. Bei Rauchern finden sich charakteristische Unterschiede der DNA-Methylierung an bestimmten Stellen des Genoms. Einige davon können nach einem Rauchstopp über Jahre hinweg bestehen bleiben oder sich langsam zurückbilden.

Auch Ernährung, Bewegung, Alkohol, Schlaf, Stress und verschiedene Umweltbelastungen werden mit epigenetischen Veränderungen in Verbindung gebracht. Dabei ist jedoch häufig schwierig zu unterscheiden, welcher Faktor tatsächlich ursächlich ist. Alter, Genetik, Erkrankungen, soziale Bedingungen und die Zusammensetzung untersuchter Gewebe können die Ergebnisse ebenfalls beeinflussen.

Interessante Hinweise liefern Studien mit eineiigen Zwillingen. Obwohl sie nahezu dieselbe DNA-Sequenz besitzen, können sich ihre epigenetischen Muster im Laufe des Lebens zunehmend unterscheiden. Epigenetik ist damit ein möglicher Teil der Erklärung dafür, warum genetisch sehr ähnliche Menschen unterschiedliche Eigenschaften und Krankheitsrisiken entwickeln.

Auch frühe Lebensbedingungen können langfristige Spuren hinterlassen. Ein bekanntes Beispiel stammt aus Untersuchungen zum niederländischen Hungerwinter 1944/45. Bei Menschen, die rund um die Empfängnis einer ausgeprägten Hungersnot ausgesetzt waren, ließen sich Jahrzehnte später Unterschiede der DNA-Methylierung nachweisen.

Solche Beobachtungen zeigen, dass Umweltbedingungen mit langfristigen epigenetischen Veränderungen verbunden sein können. Sie beweisen jedoch nicht, dass sich die eigene Gesundheit durch einzelne Maßnahmen gezielt über das Epigenom steuern lässt.

Können epigenetische Veränderungen vererbt werden?

Innerhalb des Körpers können bestimmte epigenetische Zustände bei einer Zellteilung an Tochterzellen weitergegeben werden. Dadurch bleiben wichtige Eigenschaften spezialisierter Gewebe erhalten.

Etwas anderes ist die Weitergabe zwischen Generationen. Bei der Bildung von Ei- und Samenzellen sowie während der frühen Embryonalentwicklung wird ein großer Teil epigenetischer Markierungen neu programmiert. Bestimmte Bereiche, beispielsweise genomisch geprägte Gene, folgen dabei besonderen Regulationsmechanismen.

Bei Pflanzen und verschiedenen Tierarten ist eine transgenerationale epigenetische Vererbung gut dokumentiert. Beim Menschen ist die Situation deutlich schwieriger zu beurteilen.

Wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen intergenerationalen und transgenerationalen Effekten. Wird beispielsweise eine Schwangere einer bestimmten Umweltbelastung ausgesetzt, sind sowohl das ungeborene Kind als auch dessen sich entwickelnde Keimzellen direkt betroffen. Veränderungen beim Kind oder sogar bei dessen späteren Nachkommen sind deshalb nicht automatisch ein Beweis für eine echte transgenerationale epigenetische Vererbung.

Bevölkerungsstudien liefern interessante Hinweise auf mögliche generationenübergreifende Effekte. Gemeinsame Umweltbedingungen, Lebensstil, soziale Faktoren und genetische Einflüsse lassen sich beim Menschen jedoch nur schwer vollständig ausschließen.

Aussagen wie „Traumata werden über die Epigenetik sicher an die Enkel vererbt“ sind deshalb wissenschaftlich nicht belegt. Ob und in welchem Umfang erworbene epigenetische Veränderungen beim Menschen tatsächlich mehrere Generationen überdauern können, wird weiterhin erforscht.

Was verraten epigenetische Uhren über das biologische Alter?

Mit zunehmendem Alter verändern sich bestimmte Muster der DNA-Methylierung. Auf dieser Grundlage wurden sogenannte epigenetische Uhren entwickelt. Dabei handelt es sich um statistische Modelle, die aus Methylierungsmustern altersbezogene Kennwerte berechnen.

Nicht alle epigenetischen Uhren messen dabei dasselbe. Frühere Modelle wurden vor allem darauf trainiert, das kalendarische Alter möglichst genau vorherzusagen. Neuere Verfahren beziehen zusätzlich Merkmale ein, die mit Erkrankungsrisiken, körperlicher Funktion oder Sterblichkeit zusammenhängen.

In großen Bevölkerungsstudien sind bestimmte epigenetische Kennwerte mit altersassoziierten Erkrankungen und Mortalität verbunden. Deshalb sind epigenetische Uhren interessante Forschungsinstrumente für die Alternsmedizin.

Für einzelne Personen ist ihre Aussagekraft jedoch begrenzt. Ergebnisse hängen unter anderem von verwendeter Uhr, untersuchtem Gewebe, Laborverfahren und Datenaufbereitung ab. Ein einzelner Wert lässt deshalb derzeit keine verlässliche persönliche Gesundheitsprognose zu und sollte nicht als exakte Messung des „biologischen Alters“ verstanden werden.

Kommerzielle Tests werden zwar angeboten, für individuelle Therapie- oder Lebensstilentscheidungen sind epigenetische Uhren derzeit jedoch nicht ausreichend klinisch validiert.

Wie lassen sich epigenetische Veränderungen heute messen?

Gemessen wird dabei nicht das gesamte Epigenom. Die meisten epigenetischen Uhren analysieren DNA-Methylierungsmuster an ausgewählten Stellen des Erbguts und berechnen daraus statistische Kennwerte. Häufig stammt die DNA aus Blutzellen, je nach Test können aber auch andere Probenmaterialien verwendet werden.

Die verschiedenen Uhren beantworten nicht dieselbe Frage. PhenoAge und GrimAge wurden unter anderem darauf entwickelt, Zusammenhänge mit Erkrankungen und Sterblichkeit besser abzubilden. DunedinPACE ist dagegen ein sogenanntes Pace-of-Aging-Maß und soll anhand von DNA-Methylierungsmustern abschätzen, wie schnell sich bestimmte altersassoziierte Veränderungen aktuell entwickeln.

Neuere Forschungsmodelle versuchen zusätzlich, gewebs- oder organbezogene Alterungsmuster abzuschätzen. Solche Ergebnisse sind wissenschaftlich interessant, aber bislang keine klinische Diagnose. Ein auffälliger Wert einer epigenetischen Uhr begründet für sich weder eine Erkrankung noch eine Behandlung.

In der MOOCI-Systematik gehören epigenetische Uhren deshalb zur dritten und aufwendigsten Diagnostik-Stufe. Diese Einteilung ist eine redaktionelle Systematik für die Präventionsdiagnostik und keine medizinische Leitlinienklassifikation. Sinnvoll ist eine solche Untersuchung allenfalls als Ergänzung, nachdem etablierte Risikofaktoren und Basiswerte bereits beurteilt wurden.

Wie stark technische Unterschiede das Ergebnis beeinflussen können, zeigte eine methodische Arbeit an sechs verbreiteten epigenetischen Uhren. Technische Wiederholungsmessungen derselben Probe wichen je nach Uhr um bis zu neun Jahre voneinander ab. Mit neu berechneten, auf Hauptkomponenten basierenden Versionen lagen mehr als 90 Prozent der Wiederholungsmessungen innerhalb von etwa eineinhalb Jahren.

Frag deshalb vor einer Messung, welches Modell tatsächlich ausgewertet wird und ob das Labor Angaben zur Wiederholgenauigkeit macht. Wichtig ist außerdem, dass bei Verlaufskontrollen dieselbe Methode verwendet wird. Werte unterschiedlicher Anbieter oder Algorithmen lassen sich nicht ohne Weiteres miteinander vergleichen.

Wie bereitet man sich vor und wie oft ist eine Kontrolle sinnvoll?

Je nach Anbieter wird venöses Blut oder Kapillarblut verwendet. Ein allgemeines medizinisches Protokoll, nach dem Du beispielsweise zwei Wochen infektfrei oder zwingend nüchtern sein musst, gibt es für epigenetische Altersuhren nicht. Bei einer akuten Erkrankung ist es für eine geplante Verlaufsmessung dennoch sinnvoll, die Untersuchung zu verschieben, weil sich Zusammensetzung und Aktivität der Blutzellen vorübergehend verändern können.

Für Verlaufsmessungen sind möglichst vergleichbare Bedingungen wichtiger als ein bestimmter Wochentag oder eine feste Uhrzeit. Dasselbe Labor, dasselbe Probenmaterial und derselbe Algorithmus verbessern die Vergleichbarkeit. Ein Anbieterwechsel kann größere Unterschiede erzeugen als die biologische Veränderung selbst.

Für gesunde Menschen gibt es kein wissenschaftlich festgelegtes Kontrollintervall. Wenn eine epigenetische Uhr innerhalb der MOOCI-Präventionsdiagnostik im Verlauf eingesetzt wird, kann ein Abstand von etwa sechs bis zwölf Monaten als pragmatischer Orientierungsrahmen gewählt werden. Dieser Zeitraum ist keine Leitlinienempfehlung und ein häufiger gemessener Wert wird dadurch nicht automatisch aussagekräftiger.

Dass sich ein Uhrenwert verändert, ist außerdem noch kein Nachweis eines gesundheitlichen Nutzens. In einer nachträglichen Analyse der randomisierten CALERIE-Studie mit 220 Erwachsenen ohne Adipositas zeigte die Kalorienrestriktionsgruppe nach zwei Jahren eine kleine Verlangsamung von DunedinPACE. PhenoAge und GrimAge veränderten sich dagegen nicht signifikant.

Die Studie untersuchte damit Biomarker und nicht, ob die Teilnehmer und Teilnehmerinnen länger lebten oder weniger altersassoziierte Erkrankungen entwickelten. Aus diesem Ergebnis lässt sich deshalb keine allgemeine Empfehlung zur Kalorienrestriktion ableiten. Es zeigt vor allem, dass unterschiedliche epigenetische Modelle auf dieselbe Intervention unterschiedlich reagieren können.

Welche Tests sind nicht sinnvoll und was zahlt die Krankenkasse?

Vorsicht ist bei Tests sinnvoll, die aus einem einzelnen Wert ein vermeintlich exaktes biologisches Alter oder eine einfache Ampelbewertung ableiten. Auch Tests ohne nachvollziehbare Angaben zu Methode, Referenzpopulation und Messgenauigkeit sind für Verlaufskontrollen wenig hilfreich. Dass ein Labor einen Wert als „biologisches Alter“ bezeichnet, macht ihn noch nicht zu einer medizinischen Diagnose.

Auch genetische Tests auf Varianten des Methylierungsstoffwechsels beantworten eine andere Frage als eine epigenetische Uhr. Solche Untersuchungen können je nach Fragestellung den gesetzlichen Regelungen für genetische Untersuchungen unterliegen und gehören in qualifizierte ärztliche Hände. Die rechtliche Einordnung muss dabei immer vom konkreten Test und Untersuchungsziel ausgehen.

Als reine Longevity- oder Vorsorgeuntersuchung gehören epigenetische Uhren in Deutschland nicht zum gesetzlichen Check-up. In Österreich sind sie ebenfalls kein Bestandteil der allgemeinen Vorsorgeuntersuchung, und in der Schweiz gehören sie nicht zur regulären Leistung der obligatorischen Grundversicherung ohne medizinische Indikation. Ob private oder zusätzliche Versicherungen Kosten übernehmen, hängt vom jeweiligen Vertrag und der medizinischen Begründung ab.

Für Selbstzahler und Selbstzahlerinnen liegt ein einzelner kommerzieller DNA-Methylierungstest häufig im dreistelligen Eurobereich. Umfangreichere Programme der dritten MOOCI-Diagnostik-Stufe mit mehreren Altersmodellen, zusätzlichen Laborwerten und gegebenenfalls weiteren Untersuchungen können als Orientierungswert etwa 1.500 bis 3.000 Euro kosten. Diese Preisrahmen sind keine Gebührenordnung und können zwischen Anbietern deutlich schwanken.

Welche Ärzte und Ärztinnen sind zuständig und gibt es zugelassene Behandlungen?

Für die Einordnung epigenetischer Altersmessungen kommen insbesondere Ärzte und Ärztinnen für Allgemeinmedizin oder Innere Medizin mit präventivmedizinischem Schwerpunkt infrage. Die eigentliche Laboranalytik erfolgt in spezialisierten Laboren. Bei konkreten erblichen Fragestellungen sind Humangenetik und gegebenenfalls weitere Fachrichtungen zuständig.

Über die MOOCI-Arztsuche findest Du Ärzte und Ärztinnen mit Schwerpunkt Prävention und Longevity. Sinnvoll ist eine Beratung vor allem dann, wenn der Test nicht isoliert betrachtet wird, sondern zusammen mit etablierten Risikofaktoren, Vorerkrankungen und anderen Laborwerten. Ein einzelner Uhrenwert sollte keine Therapieentscheidung auslösen.

Eine zugelassene Behandlung mit dem Ziel, epigenetische Alterungsprozesse bei gesunden Menschen zu verlangsamen, gibt es nicht. Arzneimittel mit epigenetischen Wirkmechanismen wie Azacitidin sind für klar definierte schwere Erkrankungen wie bestimmte myelodysplastische Syndrome und Formen der akuten myeloischen Leukämie zugelassen. Diese Anwendung hat nichts mit einer Behandlung normalen Alterns zu tun.

Auch eine partielle epigenetische Reprogrammierung ist keine zugelassene Behandlung des menschlichen Alterns. Die Forschung dazu ist weiterhin überwiegend präklinisch, und ein klinischer Nutzen für gesunde Menschen ist nicht belegt. Nahrungsergänzungsmittel, die mit einer Beeinflussung des Epigenoms beworben werden, besitzen ebenfalls keine zugelassene Wirkaussage zur Verlangsamung des Alterns.

Welche Rolle spielt Epigenetik bei Krankheiten und gesundem Altern?

Epigenetische Veränderungen spielen bei verschiedenen Erkrankungen eine Rolle. Besonders gut untersucht ist das bei Krebs. Tumorzellen zeigen häufig Veränderungen der DNA-Methylierung, Chromatinstruktur und anderer Regulationsmechanismen. Einige Medikamente, die gezielt in solche Prozesse eingreifen, werden bereits bei bestimmten Krebserkrankungen eingesetzt.

Auch bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Typ-2-Diabetes, Übergewicht und neurodegenerativen Erkrankungen werden epigenetische Veränderungen erforscht. Häufig ist jedoch noch nicht eindeutig geklärt, ob sie zur Krankheitsentstehung beitragen, als Folge der Erkrankung entstehen oder beides zutrifft.

Auch beim Altern verändert sich die epigenetische Regulation. Epigenetische Veränderungen gehören zu den anerkannten Hallmarks of Aging, also zu den wissenschaftlich beschriebenen Kennzeichen des Alterns. Dazu zählen unter anderem altersabhängige Veränderungen der DNA-Methylierung und Chromatinorganisation.

Besonders viel Aufmerksamkeit erhält die sogenannte partielle Reprogrammierung. Dabei versuchen Forscher, bestimmte Merkmale gealterter Zellen experimentell zurückzusetzen, ohne deren Identität zu verlieren. In Zell- und Tiermodellen gibt es vielversprechende Ergebnisse. Für Menschen handelt es sich jedoch weiterhin um experimentelle Forschung, bei der erhebliche Sicherheitsfragen, darunter mögliche Tumorrisiken, geklärt werden müssen.

Für den Alltag ergibt sich daraus keine spezielle „epigenetische Anti-Aging-Therapie“. Nichtrauchen, regelmäßige Bewegung, ausgewogene Ernährung und ausreichender Schlaf sind gut belegte Gesundheitsmaßnahmen, unabhängig davon, welche epigenetischen Veränderungen sie im Einzelnen auslösen.

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Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Epigenetik und Mundgesundheit?

Auch bei Erkrankungen des Zahnhalteapparats werden epigenetische Mechanismen untersucht. Bei einer Parodontitis wirken ein dysbiotischer bakterieller Biofilm und die Immunreaktion des Körpers zusammen.

In Untersuchungen des Zahnfleischgewebes wurden bei Parodontitis Veränderungen der DNA-Methylierung und anderer epigenetischer Regulationsmechanismen beschrieben. Diese betreffen unter anderem Gene, die an Immun- und Entzündungsreaktionen beteiligt sind.

Welche Bedeutung diese Veränderungen für Entstehung und Verlauf einer Parodontitis haben, ist jedoch noch nicht abschließend geklärt. Epigenetische Faktoren sind nur ein Teil eines komplexen Zusammenspiels aus Biofilm, Immunreaktion, genetischer Veranlagung sowie Risikofaktoren wie Rauchen und Diabetes.

Parodontitis steht außerdem mit verschiedenen Allgemeinerkrankungen, darunter Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, in Verbindung. Daraus lässt sich aber nicht ableiten, dass sie über epigenetische Veränderungen nachweislich das biologische Altern beschleunigt.

Für Deine Mundgesundheit bleiben deshalb die etablierten Maßnahmen entscheidend: gründliche Mundhygiene, regelmäßige zahnärztliche Kontrollen und eine konsequente Behandlung einer bestehenden Parodontitis.

Was kann die epigenetische Forschung heute leisten und wo liegen ihre Grenzen?

Die Epigenetik hat wesentlich dazu beigetragen, besser zu verstehen, wie Genregulation, Entwicklung, Alter und Krankheiten zusammenhängen. In einigen Bereichen gibt es bereits klinische Anwendungen, beispielsweise epigenetisch wirkende Medikamente bei bestimmten Krebserkrankungen und methylierungsbasierte Verfahren in der Tumordiagnostik.

Gleichzeitig werden epigenetische Erkenntnisse häufig überinterpretiert. Produkte, Nahrungsergänzungsmittel oder kurze Programme können Dein Epigenom nicht gezielt so „umprogrammieren“, dass bestimmte Gene nach Wunsch an- oder ausgeschaltet werden.

Auch einzelne epigenetische Messwerte sind derzeit keine verlässliche persönliche Gesundheitsprognose. Viele Studien zeigen zunächst Zusammenhänge. Ob eine beobachtete epigenetische Veränderung Ursache oder Folge eines bestimmten Gesundheitszustands ist, lässt sich häufig erst durch weitere Forschung klären.

Epigenetik zeigt damit vor allem, wie dynamisch die Regulation unseres Erbguts ist. Sie bedeutet aber nicht, dass Du Deine Gene gezielt über einzelne Lebensmittel, Präparate oder Lifestyle-Hacks steuern kannst.

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