Genetik

Allgemeine Informationen zur DNA, Enzyme und Polymorphismen (SNPs)

Der Mensch hat 46 Chromosomen, die jeweils 23 Chromosomenpaare von Mutter und Vater ermöglichen eine immer neue Durchmischung der Erbsubstanz. Die Chromosomen werden also bei jedem Kind neu durchmischt.

Im Inneren der Chromosomen befindet sich die DNA. Die DNA ist der Träger unserer Erbinformation. Die Gesamtheit der DNA ist das Erbgut (Genom). Die DNA ist die Strickleiter (Doppelhelix) die in jeder Zelle vorhanden ist, sie ist ausgebreitet bis zu 2 Meter lang.

DNA Strang
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DNA Strang @Canva

Die Bausteine der DNA setzen sich aus je einer der vier Basen, Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) und Thymin (T) und einer Phosphatgruppe (P) und Zucker (Desoxyribose) zusammen, diese Verbindungen werden Nukleotide genannt. Die Basen sind in einer genau festgelegten Reihenfolge zu einer langen Erbgutkette verknüpft, es gibt ca. 3,2 Milliarden Basenpaare. Die Basen Cytosin (C) und Guanin (G) und die Basen Adenin (A) und Thymin (T) bilden normalerweise Basenpaare. Diese Basenpaare sind sozusagen die Buchstaben des Lebens.

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, bisher wurden ca. 22.000 Gene lokalisiert. Im Grunde genommen sind wir Menschen zu 99,9 % gleich, doch in den restlichen 0,1 % ist die DNA punktuell unterschiedlich, indem eine Base wie beispielsweise ein Adenin (A) durch ein Cytosin (C) ersetzt wird. Solche punktuellen Abweichungen können Folgen für die Wirkung und Funktion einzelner Gene haben. Diese Punktmutation (SNP = Single Nucleotid Polymorphism) nennt man auch Polymorphismen, Genvarianten oder SNPs (snips ausgesprochen).

Buchstabensuppe – Polymorphismen

Die Abfolge der Buchstabensuppe bestimmt wie wir Aussehen, ob wir irgendwelche Erbkrankheiten bekommen oder Polymorphismen, also eine andere Genvariante haben.

  • Eine Mutation ist ein physikalisches Ereignis in einem einzelnen Individuum/Zelle.
  • Ein Polymorphismus ist ein Populationsmerkmal.
  • Eine Mutation kann zu einem Polymorphismus werden.
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Buchstabensuppe
Buchstabensuppe @mycholinesterase via Canva

In jeder Eizelle liegen schätzungsweise 100 Punktmutationen vor, die bei den Eltern nicht nachgewiesen sind. Polymorphismen im Genom können Veränderungen im Produkt des Gens nach sich ziehen. 1–6 Früher dachte man, genetische Veränderungen (Polymorphismen) seien funktionell irrelevant, mittlerweile wurde man aber anhand zahlreicher Beispiele eines Besseren belehrt. 7

Verschiedene Genvarianten bzw. Polymorphismen führen durch deren Veränderung zu einem anders funktionierenden Enzym. Diese Vielfalt und Variabilität führt zu unterschiedlichen Stoffwechselleistungen.

Unser Körper benötigt für jeden Stoffwechselvorgang bestimmte Enzyme. Sie sind zuständig für den Um-, Auf und Abbau von Stoffen im Körper, sie setzen diese in Gang und beschleunigen ihn.

Bisher sind über 100 verschiedene Varianten des BCHE Gens bekannt. Die Hauptvarianten sind die atypische A Variante, mit der man verstärkt Probleme mit dem Abbau von Betäubungsmitteln hat und die K Variante, mit der Probleme mit Nachtschattengewächsen, wie Kartoffeln auftreten können. 4-25 % der Bevölkerung sind Träger einer dieser Varianten.

Enzyme

Die DNA steuert nicht nur die Vervielfältigung des DNA Strangs bei der Zellteilung, sondern auch die schnelle und korrekte Aktivierung. Damit sind bestimmte Gene in der Lage, sich auf die veränderten Umweltgegebenheiten einzustellen. Dazu werden unter bestimmten Voraussetzungen Gene an- und abgeschaltet. Die DNA steuert auch die Bildung von Genprodukten (die Expression). Die Produkte sind Proteine (Eiweiße) mit bestimmten Funktionen, wie z. B. Enzyme, die bestimmte chemische Reaktionen im Körper beschleunigen, sie werden auch als Biokatalysatoren bezeichnet. 11–14

Enzyme steuern den Stoffwechsel, sie beschleunigen den Umbau eines Ausgangsstoffes (Edukt) und wandeln diese durch eine biochemische Reaktion in ein Reaktionsprodukt um, ohne sich dabei selbst zu verändern.

Auch Enzyme beeinflussen sich gegenseitig, etliche Stoffwechselenzyme dürfen nicht gleichzeitig im gleichen Zellbereich aktiv sein. Einige Enzyme werden nur zu bestimmten Zeiten im Zellzyklus, im Organ oder im Organismus benötigt. Eine Regulation bei der Erzeugung von Enzymen ist sinnvoll, um eine effektive Energieausbeute der Nährstoffe erwirken zu können. Es gibt Enzyme, die dauerhaft benötigt werden und deshalb konstant hergestellt werden, wie zum Beispiel die Enzyme des Glucosestoffwechsels. Die Gene, die immer aktiv sein müssen, nennt man auch konstitutive Gene. Gene, die Enzyme codieren, haben außerdem die Bezeichnung Strukturgene. Ein Großteil der Gene unterliegt jedoch der Regulierung. Diese regulierten Gene liegen meist inaktiv vor und werden erst, wenn das entsprechende Protein für sie da ist, aktiviert. 15–17

Verschiedene Genvarianten bzw. Polymorphismen führen durch deren Veränderung zu einem anders funktionierenden Enzym. Diese Vielfalt und Variabilität führt zu unterschiedlichen Stoffwechselleistungen.

Unser Körper benötigt für jeden Stoffwechselvorgang bestimmte Enzyme. Sie sind zuständig für den Um-, Auf und Abbau von Stoffen im Körper, sie setzen diese in Gang und beschleunigen ihn. Ist ein Enzym nicht vorhanden oder defekt, laufen diese Prozesse oft verlangsamt ab. Dadurch werden z. B. Proteine, Kohlenhydrate oder Fette nicht ausreichend um- oder abgebaut.

Somit stauen sich diese Stoffwechselprodukte in bestimmten Organen, Muskeln, Knochen und führen dort zu krankhaften Ansammlungen. Durch die erhöhte Konzentration der Stoffwechselprodukte kommt es zu einer Vergiftung des Organismus und zu langfristigen Schäden. 18,19

Mit einem BChE Mangel können bestimmte Gifte, wie Pestizide, Insektizide, Pflanzengifte wie Solanin in Kartoffeln oder Salicylate (Aspirin), Betäubungsmittel und mehr, nur schlecht abgebaut werden. Dies verursacht Vergiftungssymptome.

Epigenetik

Anders als man lange Zeit dachte, sind es nicht nur die Gene, die unsere Eigenschaften bestimmen. Wir werden durch Umwelteinflüsse beeinflusst, wie z. B. durch Radioaktivität, Umweltgifte, Nahrungsergänzungsmittel, aber auch durch Traumata – auch von unseren Vorfahren, denn auch deren Traumata wie Hunger oder seelische Wunden können vererbt werden. 8–10

In Studien an Zwillingen, die eigentlich die gleichen Erbinformationen mitbekommen haben, dass unsere Gene nur zu einem Teil davon ausmachen, wie wir uns entwickeln. Umwelteinflüsse wie Chemikalien, Nahrung, Luft und Gefühle beeinflussen uns immens. Bei Studien an Mäusen wurde Generationen später festgestellt, dass Traumata wie Angst vor lauten Geräuschen, Hunger o.ä. noch die Kindeskinder begleitet. Durch eine sichere Umgebung, Mitgefühl und Aufmerksamkeit können seelische Traumata beeinflusst werden. Die Hungergeneration aus bzw. nach der Zeit des Krieges beeinflussen uns noch heute, genauso wie die Pestizide und Chemikalien, die unsere Eltern aufgenommen haben, wurden an uns weitergegeben. Wir können durch Vermeidung von Giften, einer guten Ernährung, durch Selbstliebe und positives Denken unsere Gesundheit und unser Mindset beeinflussen – Polymorphismen können durch Epigenetik beeinflusst werden. Durch Anlagerung von Methylgruppen direkt an die DNA werden bestimmte Abschnitte nicht mehr ablesbar, diese epigenetischen Anlagerungen beeinflussen damit die Genaktivität und somit auch die Enzyme.

Methylierung

Gene und Moleküle können durch Methylierung aktiviert oder deaktiviert werden. Methylierung ist für viele Umwandlungsreaktionen im Körper wichtig. Es bedeutet eine Übertragung der Methylgruppen von einem Molekül auf ein anderes. Einige Vitamine wie Methylcobalamin (B12) oder Methylfolat (B9, Folat) können Methylgeber sein.

Die Ernährung kann die Methylierung ebenfalls beeinflussen, wie z. B. Polyphenole und Sulforophane. Diese Substanzen, »Methylgeber« genannt, sind dafür bekannt, dass sie direkt am Epigenom ansetzen. Polyphenole, Sulforophane und andere starke Pflanzenstoffe hemmen die Cholinesterasen und können mit einem BChE Mangel in hohen Dosen nicht gut verträglich sein.

Bei Krebszellen ist die Methylierung gestört, sodass DNA-Bereiche methyliert werden, die normalerweise unmethyliert bleiben sollten. Dadurch können bestimmte Gene nicht mehr abgelesen werden, was zu einer fehlerhaften Entwicklung dieser Zellen führt.

Manche Gene will man methyliert, andere lieber demethyliert haben. Es gibt Nahrungsbestandteile, die eher das eine oder das andere stärken. Die Forschung steht hier noch am Anfang. 20-22

BChE ist nur ein Zahnrädchen

Das Butyrylcholinesterase (BCHE) Gen ist eines von mehr als 20.000 Genen und nur ein kleines Zahnrädchen. Ein Zahnrad, dass 5-25 % der Bevölkerung beeinflusst. Die meisten wissen es nur nicht und können aufgrund einer Narkose nicht mehr selbstständig atmen oder haben Probleme mit Betäubungsmittel beim Zahnarzt oder Unverträglichkeit gegenüber Nachtschattengewächsen wie Kartoffeln, Paprika, Tomaten und Co, reagieren auf Umweltgifte wie Pestizide und Insektizide und haben Symptome wie Muskelschmerzen oder Krämpfe, Gelenksschmerzen, Migräne, Anaphylaxien, Atemprobleme und mehr.

Die Enzyme der Butyrylcholinesterase (BChE) werden durch viele Stoffe gehemmt, wenn durch einen genetisch bedingten BChE Mangel das Enzym in seiner Aktivität eingeschränkt ist oder/und zu wenig der Enzyme zur Verfügung stehen, reagieren Menschen mit einem BChE Mangel bereits früher auf Stoffe, die die Cholinesterasen hemmen (Inhibitoren) mit Symptomen.

Auch andere Gene beeinflussen die Entgiftung oder die Verträglichkeit von Cholinesterase Inhibitoren (siehe Genvarianten). Die Entgiftung ist ein sehr komplexes Thema und der Körper hat, genauso wie bei den Cholinesterasen ein ausgeklügeltes System aufgebaut um Gifte umzuwandeln und auszuscheiden. Das BChE Enzym ist ein kleines Zahnrädchen davon, trotzdem hat es großen Einfluss auf Betroffene.


BCHE Genvarianten, SNPs und ihre Auswirkungen

BChE Mangel Diagnose

Gifte und Gegengifte

Nahrungsmittelunverträglichkeiten

Literatur

1. Available at: https://www.mri.tum.de/humangenetik-fachbegriffe. Accessed February 27, 2021
2. Available at: https://genwiki.genealogy.net/DNA. Accessed March 17, 2021
3. PharmGenetix. Available at: https://www.bionity.com/de/lexikon/Punktmutation.html. Accessed March 17, 2021
4. Welle D. Available at: https://www.dw.com/de/20-jahre-entschl%C3%BCsselung-des-menschlichen-genoms/a-53006544. Accessed March 17, 2021
5. Available at: https://www.max-wissen.de/Fachwissen/show/4702. Accessed March 17, 2021
6. Available at: https://studyflix.de/biologie/punktmutation-2583. Accessed March 17, 2021
7. Schaaf CP, et al. In: Schaaf CP, et al., eds. Basiswissen Humangenetik. 2., überarbeitete Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; 2013:31-50. Springer-Lehrbuch
8. Badenschier F, et al. Epigenetik. planet-wissen.de. Updated May 5, 2020. https://www.planet-wissen.de/natur/forschung/epigenetik/index.html. Accessed March 17, 2021
9. Welle D. Available at: https://www.dw.com/de/epigenetik-wenn-wir-traumata-vererben/a-50547821. Accessed March 17, 2021
10. Available at: https://www.spektrum.de/thema/epigenetik/1191602. Accessed March 17, 2021
11. Available at: https://biooekonomie.de/themen/dossiers/enzyme-die-supertalente-der-bioindustrie. Accessed March 6, 2021
12. StudyHelp Online-Lernen. Available at: https://www.studyhelp.de/online-lernen/chemie/katalysatoren/. Accessed March 6, 2021
13. Available at: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/enzyme. Accessed February 14, 2021
14. Available at: https://www.gehirnlernen.de/gehirn/neurotransmitter-und-ihre-bahnen/. Accessed December 17, 2020
15. Available at: https://www3.hhu.de/biodidaktik/Steuerung_Regelung/genetik/gene1.html. Accessed April 13, 2021
16. DocCheck Medical Services GmbH. Available at: https://flexikon.doccheck.com/de/Genexpression. Accessed March 17, 2021
17. Available at: https://studyflix.de/biologie/genexpression-2646. Accessed March 17, 2021
18. Sorokina M, et al. Biology Direct. 2014;9:10
19. Orphan Enzyme Project. Available at: http://www.orphanenzymes.org/whats-an-orphan-enzyme/. Accessed March 17, 2021
20. Interview Prof. Dr. Isabelle Mansuy, Spektrum, https://www.spektrum.de/news/epigenetik-ernaehrung-kann-spuren-am-erbgut-hinterlassen/1765144, Accessed December 04, 2021.
21. Wir können unsere Gene steuern!: Die Chancen der Epigenetik für ein gesundes und glückliches Leben, Prof. Isabelle M. Mansuy
22. Schmutzige Gene: Ein revolutionärer Ansatz Krankheiten an der Wurzel zu behandeln, Bench Lynch