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Weiße Maus sitzt auf dem Boden

Können Mäuse depressiv sein?

Die "Vererbung erworbener Eigenschaften" hat lange als unwissenschaftliches Konzept gegolten. Im Forschungsfach der Epigenetik feiern diese Ideen, einst vom französischen Naturforscher Jean-Baptiste Lamarck formuliert, eine Renaissance in neuem Gewand. So können etwa traumatische Erlebnisse an die folgende Generation "vererbt" werden, wie Versuche an Mäusen zeigen.

ÖAW Young Science 05.01.2014

Die Innsbrucker Molekularbiologin Katharina Gapp gibt in einem Gastbeitrag Einblicke in die Verbindung von Historie und aktueller Wissenschaft.

Sperma reloaded: Gene, Umwelt, Vererbung

Von Katharina Gapp

Porträt Katharina Gapp

Lukas von Ziegler

Über die Autorin:
Katharina Gapp, geb. 1984 in Innsbruck, Studium der Molekularbiologie an den Universitäten Wien und Madrid; seit 2010 Doktorandin im Fachgebiet Neurowissenschaften am Hirnforschungsinstitut der ETH Zürich; seit 2011 fFORTE-Stipendiatin der österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Kunst trifft Wissenschaft

Blick eines Designers auf den Einfluss von Stress auf Spermazellen

Fasziniert von den enormen Datenmengen, die in Spermien von Mäusen generiert werden, hat Woeishi Lean, ein renommierter österreichischer Multimedia-Designer, sich dem Datenwirrwarr angenommen und dieses auf seine Art interpretiert.

Zu sehen ist das Mausgenom - die gesamte Erbsubstanz (DNA) einer Maus. Sie ist in jeder einzelnen Körperzelle enthalten und bestehet aus einer Sequenz von drei Milliarden Basenpaaren, jenen Molekülen, die die Gene ausmachen.

Illustration von Woeishi Lean: Reihen von Buchstaben, die die Basenpaare der DNA darstellen.

Woeishi Lean

Über den Designer:
Woeishi Lean, geb. 1983 in Innsbruck, Studium an der Fachhochschule Salzburg für Multimediadesign. Arbeitet als Dozent an verschiedenen Universitäten in Österreich und als Freelancer in Wien. Er konzipiert und produziert Multimedia-Installationen wie z.B. den Austria Pavillon der Expo 2010 in Shanghai oder das Videomapping des Goethe Instituts auf den Arc de Triomf in Barcelona in 2011.

Bevölkerungsweite Studien zur Gesundheit an Menschen beschreiben Phänomene von Vererbung abseits der Gene im Zusammenhang mit Ernährung: So ist bekannt, dass Unterernährung während der Schwangerschaft zu einem reduzierten Geburtsgewicht des Kindes und zu Übergewicht bei neugeborenen Enkelkindern führt.

Und das Ernährungsverhalten während bestimmter früher Lebensphasen von Männern wirkt sich ebenfalls auf ihre Nachfahren aus: bei den Kindern auf die Veränderung des Stoffwechsels und bei männlichen Enkelkindern auf ein erhöhtes Risiko, an Diabetes zu erkranken.

Auch psychische Belastungen können langanhaltende und generationenübergreifende Folgen haben. Traumatische Ereignisse in der frühen Kindheit erhöhen das Risiko, im späteren Leben an psychischen Störungen zu erkranken.

Traumata erhöhen auch das Krankheitsrisiko der Kinder und Kindeskinder. Dies bedeutet allerdings nicht zwangsläufig, dass jemand mit einer schwierigen Kindheit, beziehungsweise jemand, dessen Eltern an einer psychiatrischen Krankheit litten, automatisch krank wird.

Lamarck, der Vater der Evolution

Jean-Baptiste Lamarck, geboren 1744, war einer der großen Väter der Biologie und legte als erster eine umfassende Evolutionstheorie vor. Er war der Ansicht, dass äußere Umwelteinflüsse die Evolution gezielt beeinflussen. Weil sich etwa Giraffen auf der Suche nach Blättern zur Baumkrone strecken müssen, würden, so Lamarck, dadurch ihre Jungen mit längeren Hälsen geboren.

Eine andere Sichtweise vertrat der circa ein halbes Jahrhundert später geborene und mit seinen Theorien zur Evolution deutlich bekanntere Charles Darwin: Aus seiner Sicht sind es das zufällige Entstehen bestimmter Eigenschaften und natürliche Selektion, die über Generationen hinweg die Evolution der Arten bestimmen. Ob der Hals der Giraffen lang ist, würde also von den Genen der Vorfahren abhängen.

Erst seit relativ kurzer Zeit hat die Biologie ein Erklärungsmodell, wie die Umwelt die Erbsubstanz beeinflussen kann. Das Zauberwort heißt Epigenetik: Damit bezeichnet man im Vergleich zur klassischen Genetik chemische Veränderungen der Erbsubstanz, durch die die Zusammensetzung der Gene unbeeinflusst bleibt, sich aber deren Aktivität ändert. Denn bestimmte Gene sind nur in bestimmten Zellen oder zu bestimmten Zeiten aktiv, auch wenn jede Zelle alle Gene eines Organismus enthält.

Die Suche nach dem Krankheitsgen

Unter anderem legt das Gebiet der Psychiatrie großes Interesse für epigenetische Vererbung an den Tag. Denn trotz zahlreicher genetischer Studien für die Erblichkeit von psychischen Krankheiten können nur sehr wenige genetische Mutationen für das gehäufte Auftreten bestimmter Krankheiten in Familien verantwortlich gemacht werden.

Direkte Kausalität zwischen Ursache und Wirkung ist jedoch in der Forschung am Menschen nur schwer festzumachen, da man am Menschen kaum Experimente durchführen kann, sondern lediglich beobachtet.

Zudem spielt neben der Biologie das Verhalten eine Rolle: So kann eine durch ein Trauma depressiv gewordene Mutter ein verändertes Mutterverhalten an den Tag legen und somit ihre Kinder beeinflussen. Um solche zusätzliche Faktoren auszuschließen, haben sich Tiermodelle bewährt, in denen man unter streng kontrollierten Laborbedingungen genetische und andere Ursachen und Wirkungen testen kann.

Versuche an Mäusen

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

Mäuse sind dem Menschen in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich. Gleich wie Menschen sind sie soziale Tiere, für deren gesunde Entwicklung eine ausgiebige Zuwendung des Muttertieres im frühen Leben essentiell ist.

Unsere Versuche machen sich dies zu Nutze und setzen Neugeborene unvorhersehbaren Trennungen vom Muttertier aus. Dadurch werden frühkindheitliche Traumata, wie z.B. physische oder psychische Misshandlung beim Menschen, nachgestellt. Die so gestressten Mäuse entwickeln im Erwachsenenalter ein depressives, antisoziales und risikoreiches Verhalten. Die Verhaltenssymptome gehen mit molekularen Veränderungen im Hirn der betroffenen Mäuse einher.

Interessanterweise werden die Symptome an die nächsten zwei Generationen weitergegeben. Paart man traumatisierte Männchen mit Kontrollweibchen, welche nie einem Stress ausgesetzt wurden, ist der einzige Zusammenhang zwischen den Generationen die Spermazelle, denn Mäuseväter haben nicht Teil an der Aufzucht der Jungen und eine Weitergabe des Traumas über Mutterverhalten kann ausgeschlossen werden.

Was, wenn kein Gen?

Literaturhinweise:

Franklin, T. B. et al. Epigenetic transmission of the impact of early stress across generations. Biol Psychiatry 68, 408-415, doi:S0006-3223(10)00576-7 [pii] 10.1016/j.biopsych.2010.05.036 (2010).

Implication of sperm RNAs in the inheritance of the effects of early traumatic stress in mice (submitted) Katharina Gapp, Johannes Bohacek, Pawel Pelczar, Julien Prados, Laurent Farinelli and Isabelle M. Mansuy

Links (Wikipedia):
Jean-Baptiste_de_Lamarck
Epigenetik
Darwin

Da die Gene nicht manipuliert wurden, können sowohl Mutterverhalten als auch genetische Mutationen als Überträger der Traumata an die Enkel ausgeschlossen werden. Die Belastung der Folgegenerationen ergibt sich also durch die Steuerung der Gene durch Umwelteinflüsse.

Potentielle Mechanismen sind chemische Veränderungen der Bestandteile der Erbsubstanz (der DNA) oder der Eiweiße, um welche die DNA aufgewickelt ist. Beide beeinflussen die Ablesung der Gene.

Moleküle als Träger von Erfahrung

In der Spermazelle befinden sich jedoch noch andere Moleküle, sogenannte Mikro-RNAs, Moleküle, die der DNA ähnlich, aber kein Bestandteil der Gene sind. Auch sie können das Ablesen der Gene beeinflussen. Bei diesen Molekülen gibt es erhebliche Unterschiede zwischen dem Sperma von gestressten und nicht gestressten Mäusen.

Darüber hinaus ist die Injektion von RNA, gewonnen aus den Spermien gestresster Mäuse, in befruchtete Eizellen ausreichend, um in den daraus resultierenden Nachkommen Verhaltensveränderungen hervorzurufen, welche denen der natürlichen Nachkommenschaft verblüffend ähnlich sind. Dies deutet darauf hin, dass kleine RNAs in Spermazellen als Informationsträger fungieren, welche Erfahrungen auf molekularer Ebene an Folgegenerationen weitergeben.

Eigenverantwortung versus Determinismus

Abgesehen von dem diagnostischen Potenzial, um Krankheitsrisiken frühzeitig zu erkennen, stellt dieses Phänomen die alleinige Eigenverantwortung einer Person in ein völlig neues Licht.

Die Ergebnisse unserer Studie zeigen, umgelegt auf Menschen, auf eindrückliche Art und Weise, wie leicht Umwelteinflüsse unseren Organismus auf Dauer formen können und nicht nur uns, sondern möglicherweise auch unsere Kinder und Kindeskinder beeinflussen können.

Doch diese Erkenntnisse sollten die Bedeutung der Eigenverantwortung nicht schmälern, sondern viel eher zu einer Ausweitung dieser im Hinblick auf zukünftige Generationen führen.

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