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Epigenetik: Wie alt sind deine Körperzellen?

epigenetik

Manche Menschen trotzen dem Alter. Andere sterben früh. Der Inder Fauja Singh – Spitzname Turban-Tornado – begann mit 89 Jahren, Marathons zu laufen.  2011, im Alter von 100 Jahren, absolvierte er das über 40 Kilometer lange Rennen in Toronto. Turban-Tornado beweist, dass zwischen dem chronologischen und dem tatsächlichen Alter häufig eine Lücke klafft. Die Epigenetik bietet die Möglichkeit, das Alter der Körperzellen genau zu bestimmen. Vielleicht können wir alle in nicht allzu ferner Zukunft mithilfe der epigenetischen Uhr erfahren, welche Lebenserwartung wir haben.

  1. Epigenetik: Was ist das?
  2. Wie funktioniert Epigenetik?
  3. Die epigenetische Uhr: Wie alt ist der Mensch wirklich?
  4. Was nützt das epigenetische Alter?
  5. Was bringt ein gesunder Lebensstil?

1. Epigenetik: Was ist das?

Nach der Befruchtung teilt sich die Eizelle. Die ersten acht Zellen sind gleichwertig. Erst danach beginnen sie, sich entsprechend ihrer Funktion im Körper zu verändern. Verantwortlich für die Spezialisierung einer Zelle sind die Gene, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), aus denen unser Erbgut besteht. Insgesamt gibt es im menschlichen Körper rund 250 verschiedene Zelltypen.

Die DNS ist eine Nukleinsäure, die sich aus vielen Nukleotiden zusammensetzt. Sie ist keine isolierte Doppelhelix im Zellkern, sondern an verzwirbelte Stränge von Chromatin gebunden (1). Dieses Chromosomenmaterial besteht aus DNS und speziellen Proteinen, zum größten Teil Histone (2). Histone wirken wie eine Art Verpackung für die DNS, wobei die Enden dieser Proteine aus dem Paket herausragen.

Methylisierung ist entscheidend

Enzyme können die Enden dieser Histone-Proteine an der Oberfläche der DNS-Verpackung verändern. Das erklärt auch den Begriff Epigenetik. Die Vorsilbe epi stammt aus dem Griechischen und kann mit ‚an der Oberfläche’ übersetzt werden. Gemeinsam mit der Abfolge der DNS-Basen, den Bausteinen der DNS (3), entscheiden diese Enzym-Veränderungen, welche Gene bei einer Zellteilung zum Zug kommen und wie sich Zellen entwickeln. Besonders wichtig für die Gesundheit, Vererbung und Krankheiten ist die Methylisierung, die Verbindung von Histonen mit Methylgruppen (4).

Durch die Verbindung mit Methylgruppen können Eigenschaften, beispielsweise das Risiko für bestimmte Krankheiten, weitervererbt werden, ohne die DNS an sich zu verändern (5). Forscher sprechen in diesem Zusammenhang vom flexiblen Epigenom, das sich jederzeit verändern kann.

Doch was bedeutet Epigenetik nun? Um diesen komplizierten Begriff zu verstehen, bietet sich der Vergleich mit einem Klavier an. Die Gene sind die Tasten – doch die Epigenetik entscheidet, welche Melodie erklingt.

2. Wie funktioniert Epigenetik?

Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Epigenetik. Unsere Erfahrungen und Umwelteinflüsse verändern das Epigenom im Laufe des Lebens. Das zeigte eine 2005 veröffentlichte Studie spanischer Wissenschaftler. Sie untersuchten 80 eineiige Zwillinge verschiedenen Alters. Dreijährige Zwiillinge stimmten epigenetisch fast komplett überein.

Nach 50 Jahren zeigten sich jedoch zum Teil enorme Unterschiede. Je unterschiedlicher das Leben der Zwillinge verlief, desto größer waren die epigenetischen Differenzen (6). Besonders wichtig für das Epigenom sind traumatische Lebenserfahrungen. So kann beispielsweise Missbrauch in der Kindheit das Risiko für Selbstmord epigenetisch messbar erhöhen (7).

Wie unsere Erfahrungen vererbt werden

Epigenetische Veränderungen ermöglichen auch die Vererbung von Krankheiten über Generationen hinweg. Interessante Erkenntnisse lieferte dafür die 800-Seelen-Gemeinde Överkalix in Nordschweden. Dieser relativ isolierte Ort führte lange Zeit ein detailreiches Gemeinderegister. Neben den Ernteerträgen und Hungersnöten stehen Daten über Lebensdauer und Todesursachen der Einwohner zur Verfügung.

Sozialmediziner begannen in den 90er Jahren, diesen Datenschatz auszuwerten- und kamen zu erstaunlichen Ergebnissen. Wenn sich heranwachsende Kinder im Alter zwischen neun und zwölf Jahren statt essen konnten, erkrankten ihre Kinder und Enkel häufiger an Diabetes und starben schneller als Nachfahren von Menschen, die in dieser Zeit hungern mussten (8).

3. Die epigenetische Uhr: Wie alt ist der Mensch wirklich?

Bei jedem Menschen läuft der Alterungsprozess etwas unterschiedlich ab. Das biologische oder chronologische Alter sagt also nur bedingt etwas über den tatsächlichen Zustand der Körperzellen aus. Hier setzt die epigenetische Uhr an, die der Wissenschaftler Steve Horvarth federführend an der University of California in Los Angeles (UCLA) entwickelt hat. Schon als Teenager beschäftigte sich Horvarth mit seinen Freunden ausgiebig mit der Frage, wie man die Lebenszeit des Menschen verlängern könne.

Bereits 2011 veröffentlichte Horvarth gemeinsam mit Kollegen eine Studie, die sich mit den Methylierungsmustern der DNS befasste (9). Damals formulierten die Forscher die Aussage, das voraussichtliche Alter eines Menschen lasse sich mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 5,2 Jahren vorhersagen. Eine Messung relevanter Stellen im Genom könne dazu beitragen, altersbedingte Erkrankungen vorherzusagen und so die medizinische Behandlung genauer auf den Menschen zuzuschneiden.

Angleich von Methylierungsprofilen

Zwei Jahre später stellte Horvarth eine weitere Studie vor, in der er bereits von der Möglichkeit einer epigenetischen Altersanalyse spricht (10). Für diese Studie hatte er 8000 Proben von 32 verschiedenen Datensätzen mit Methylierungsmustern verwendet. Die Unterschiede der verschiedenen Methylierungsprofile waren dabei eine Herausforderung.

Obwohl DNS-Methylierung in der Regel mit Mikroarray-Analysen festgestellt werden, lassen sich die so erhaltenen Ergebnisse einzelner Labore mit verschiedenen Protokollen nur bedingt vergleichen (11). Deshalb entwickelte Horvarth eine Methode, um Methylierungsprofile aneinander angleichen zu können.

Meta-Studie bestätigt Horvarths Uhr

Der Durchbruch für die epigenetische Uhr, mittlerweile auch Horvarths Uhr genannt, kam jedoch erst im Jahr 2016 mit der Veröffentlichung einer Meta-Studie, an der sich über 50 Forscher beteiligt hatten (12). Dafür wurden Daten von 13.089 Personen in insgesamt 13 Gruppen ausgewertet. Diese Metastudie bestätigte, dass sich mithilfe des epigenetischen Alters die Mortalität vorhersagen lässt – weit akkurater, als es das chronologische Alter und die Berücksichtigung traditioneller Risikofaktoren bisher zuließen.

Wie funktioniert die epigenetische Uhr?

Um das epigenetische Alter mithilfe der Horvarths Uhr festzustellen, werden insgesamt 353 epigenetische Markierungen mit Methylgruppen untersucht. Diese Marker sitzen an den sogenannten CpG-Sites. Das sind Sequenzen in der DNS, bei denen der DNS-Baustein Cytosin (C) vor dem Baustein Guanin (G) steht. Diese epigenetischen Marker werden dann mit statistischen Methoden ausgewertet. Ein gewichteter Durchschnitt der Werte wird dazu verwendet, mit einer Kalibrierungsfunktion das epigenetische Alter zu errechnen.

Im Frühjahr 2018 stellte Horvarth gemeinsam mit dem britischen Wissenschaftler Kenneth Raj eine Theorie vor, die fundamentale Fragen des Alterns aufgreift (13). So schlagen sie beispielsweise vor, dass biologisches Altern eine unbeabsichtigte Folge von verschiedenen molekularen Prozessen im Körper ist. Programme zur Erhaltung der Zellen kommen sich demnach mit Programmen für die Entwicklung des Organismus ins Gehege. Nach Ansicht der beiden Forscher ist die Schnelligkeit des Alterungsprozesses, der sich mit der Horvarths Uhr bestimmen lässt, eindeutig angeboren.

4. Wozu nützt das epigenetische Alter?

Bisher wird das epigenetische Alter noch nicht routinemäßig erfasst. Gott sei Dank, möchte man sagen. Krankenversicherer könnten das epigenetische Alter theoretisch dazu verwenden, Versicherungstarife individuell zu bestimmen. Laut Horvarth könnte dies mit einem Bluttest geschehen, der in seinem Institut gerade einmal 300 Dollar kostet (14).  Das epigenetische Alter lässt sich jedoch auch dazu verwenden, um das Risiko für bestimmte Krankheiten abzuschätzen.

Außerdem kann diese Methode helfen, Theorien über biologisches Altern zu überprüfen. Beispielsweise hat eine Studie von 82 Italienern mit einem Alter von über 105 Jahren und 63 Nachkommen ergeben, dass ihr epigenetisches Alter deutlich jünger ist als ihr chronologisches (15). Die über Hundertjährigen waren demnach 8,6 Jahre jünger als erwartet.

5. Was bringt ein gesunder Lebensstil?

Die Ergebnisse der Horvarths Uhr könnten dich zu der Ansicht verleiten, dass ein gesunder Lebensstil wenig bringt. Tatsächlich sagte Horvarth in einem Interview (14), dass sich manche Menschen vegan ernähren, 10 Stunden schlafen, stressfrei leben und dennoch früh sterben. Rund fünf Prozent der Menschen altern demnach besonders schnell und haben ein um die Hälfte höheres Risiko als ihre Mitmenschen, früh zu sterben.

Das sollte dich jedoch nicht zu einer fatalistischen Lebenseinstellung anspornen. Tatsächlich trägt ein gesunder Lebensstil nachweislich dazu bei, die Effekte eines schnellen epigenetischen Alterungsprozesses zu vermindern. Das zeigte eine 2017 veröffentlichte internationale Studie, an der Steve Horvarth ebenfalls beteiligt war (16).

Dafür wurden die Daten von 4.575 Teilnehmerinnen ausgewertet. Die epigenetische Altersanalyse ihres Blutes zeigte, dass ein vernünftiger Lebensstil mit einem normalen Body Mass Index gesundes Altern durchaus fördert.

Das sind die Faktoren, auf die du achten solltest:

  • So viel Gemüse und Obst wie möglich verzehren
  • Mageren Fleisch und mageren Fisch wählen
  • Alkohol in Maßen genießen
  • Sich regelmäßig bewegen

Fazit: Epigenetisches Alter ist nur ein Signal

Mithilfe der Epigenetik lässt sich mittlerweile genau bestimmen, wie schnell der Alterungsprozess abläuft und wann ein Mensch voraussichtlich sterben wird. Der Wissenschaftler Steve Horvarth hat dafür ein System entwickelt, das nach ihm Horvarths Uhr benannt ist. 353 Markierungen mit Methylgruppen an bestimmten Punkten der DNS zeigen, wie stark der Unterschied zwischen dem chronologischen und dem epigenetischen Alter eines Menschen ist.

Nach Ansicht von Horvarth ist die Schnelligkeit des Alterungsprozesses angeboren. Demnach läuft er bei rund fünf Prozent aller Menschen besonders schnell ab und erhöht bei ihnen das Risiko eines frühen Todes um 50 Prozent.

Tatsächlich hat eine neue Studie eines internationalen Teams von Forschern jedoch gezeigt: Gesunde Ernährung mit viel Obst, Gemüse und hochwertigen Proteinen gekoppelt mit regelmäßiger Bewegung hilft dir, lange fit und munter zu bleiben.

Quellenverzeichnis:

(1) https://science.sciencemag.org/content/184/4139/868

(2)  Saha C, Kumar R, Das A. Understanding nucleosomal histone and DNA interactions: a biophysical study. J Biomol Struct Dyn. 2017 Sep;35(12):2531-2538. doi: 10.1080/07391102.2016.1225603. Epub 2016 Sep 3. PubMed PMID: 27533914. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27533914)

(3) https://www.aerzteblatt.de/archiv/126125/Das-Epigenom-Der-Dompteur-der-Gene

(4) Greer EL, Shi Y. Histone methylation: a dynamic mark in health, disease and inheritance. Nat Rev Genet. 2012 Apr 3;13(5):343-57. doi: 10.1038/nrg3173. PMID: 22473383; PMCID: PMC4073795. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4073795/)

(5) John RM, Rougeulle C. Developmental Epigenetics: Phenotype and the Flexible Epigenome. Front Cell Dev Biol. 2018 Oct 11;6:130. doi: 10.3389/fcell.2018.00130. PMID: 30364270; PMCID: PMC6193064. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6193064/)

(6) Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, Ropero S, Setien F, Ballestar ML, Heine-Suñer D, Cigudosa JC, Urioste M, Benitez J, Boix-Chornet M, Sanchez-Aguilera A, Ling C, Carlsson E, Poulsen P, Vaag A, Stephan Z, Spector TD, Wu YZ, Plass C, Esteller M. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proc Natl  Acad Sci U S A. 2005 Jul 26;102(30):10604-9. Epub 2005 Jul 11. PubMed PMID: 16009939; PubMed Central PMCID: PMC1174919. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16009939)

(7) McGowan PO, Sasaki A, D’Alessio AC, Dymov S, Labonté B, Szyf M, Turecki G, Meaney MJ. Epigenetic regulation of the glucocorticoid receptor in human brain associates with childhood abuse. Nat Neurosci. 2009 Mar;12(3):342-8. doi: 10.1038/nn.2270. PubMed PMID: 19234457; PubMed Central PMCID: PMC2944040. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19234457)

(8) Kaati G, Bygren LO, Edvinsson S. Cardiovascular and diabetes mortality determined by nutrition during parents’ and grandparents’ slow growth period. Eur J Hum Genet. 2002 Nov;10(11):682-8. PubMed PMID: 12404098. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12404098)

(9) Bocklandt S, Lin W, Sehl ME, Sánchez FJ, Sinsheimer JS, Horvath S, Vilain E. Epigenetic predictor of age. PLoS One. 2011;6(6):e14821. doi: 10.1371/journal.pone.0014821. Epub 2011 Jun 22. PubMed PMID: 21731603; PubMed Central PMCID: PMC3120753. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21731603)

(10) Horvath S. DNA methylation age of human tissues and cell types. Genome Biol. 2013;14(10):R115. Erratum in: Genome Biol. 2015;16:96. PubMed PMID: 24138928; PubMed Central PMCID: PMC4015143. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24138928)

(11) Schumacher A, Kapranov P, Kaminsky Z, Flanagan J, Assadzadeh A, Yau P, Virtanen C, Winegarden N, Cheng J, Gingeras T, Petronis A. Microarray-based DNA methylation profiling: technology and applications. Nucleic Acids Res. 2006 Jan 20;34(2):528-42. doi: 10.1093/nar/gkj461. PMID: 16428248; PMCID: PMC1345696. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1345696/)

(12) Chen BH, Marioni RE, Colicino E, Peters MJ, Ward-Caviness CK, Tsai PC, Roetker NS, Just AC, Demerath EW, Guan W, Bressler J, Fornage M, Studenski S, Vandiver AR, Moore AZ, Tanaka T, Kiel DP, Liang L, Vokonas P, Schwartz J, Lunetta KL, Murabito JM, Bandinelli S, Hernandez DG, Melzer D, Nalls M, Pilling LC, Price TR, Singleton AB, Gieger C, Holle R, Kretschmer A, Kronenberg F, Kunze S, Linseisen J, Meisinger C, Rathmann W, Waldenberger M, Visscher PM, Shah S, Wray NR, McRae AF, Franco OH, Hofman A, Uitterlinden AG, Absher D, Assimes T, Levine ME, Lu AT,  Tsao PS, Hou L, Manson JE, Carty CL, LaCroix AZ, Reiner AP, Spector TD, Feinberg  AP, Levy D, Baccarelli A, van Meurs J, Bell JT, Peters A, Deary IJ, Pankow JS, Ferrucci L, Horvath S. DNA methylation-based measures of biological age: meta-analysis predicting time to death. Aging (Albany NY). 2016 Sep 28;8(9):1844-1865. doi: 10.18632/aging.101020. PubMed PMID: 27690265; PubMed Central PMCID: PMC5076441. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27690265)

(13) Horvath S, Raj K. DNA methylation-based biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing. Nat Rev Genet. 2018 Jun;19(6):371-384. doi: 10.1038/s41576-018-0004-3. Review. PubMed PMID: 29643443. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29643443)

(14) https://www.theguardian.com/science/2016/sep/28/internal-clock-makes-some-people-age-quicker-and-die-younger-regardless-of-lifestyle

(15) Horvath S, Pirazzini C, Bacalini MG, Gentilini D, Di Blasio AM, Delledonne M, Mari D, Arosio B, Monti D, Passarino G, De Rango F, D’Aquila P, Giuliani C, Marasco E, Collino S, Descombes P, Garagnani P, Franceschi C. Decreased epigenetic age of PBMCs from Italian semi-supercentenarians and their offspring. Aging (Albany NY). 2015 Dec;7(12):1159-70. doi: 10.18632/aging.100861. PMID: 26678252; PMCID: PMC4712339. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4712339/)

(16) Quach A, Levine ME, Tanaka T, Lu AT, Chen BH, Ferrucci L, Ritz B, Bandinelli S, Neuhouser ML, Beasley JM, Snetselaar L, Wallace RB, Tsao PS, Absher D, Assimes TL, Stewart JD, Li Y, Hou L, Baccarelli AA, Whitsel EA, Horvath S. Epigenetic clock analysis of diet, exercise, education, and lifestyle factors. Aging (Albany NY). 2017 Feb 14;9(2):419-446. doi: 10.18632/aging.101168. PMID: 28198702; PMCID: PMC5361673. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5361673/)

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2019-12-09T19:14:39+02:00