Mehr Wissen, mehr Tierwohl

Bereits im 19. Jahrhundert erkannte der franzö­sische Biologe Jean-Baptiste de Lamarck, dass Lebe­wesen erworbene Eigenschaften offensichtlich an ihren Nachwuchs weitergeben. Damals nahm das niemand ernst; es widersprach der gerade entdeckten Vererbungslehre, und Lamarck selbst konnte es nicht plausibel genug erklären. Erst kurz nach der Jahrtausendwende nahm das Thema richtig Fahrt auf – als Forscher plötzlich in der Lage waren, DNA zu analysieren. Erste Studien legten nahe, dass sich das, was die Ahnen erlebt haben, auf die Gene des Nachwuchses auswirkt. Elizabeth Blackburn, die 2009 den Medizinnobelpreis erhielt, ging als eine der Ersten der Annahme nach, dass Stress das Erbgut verändert.

Heute ist klar, dass Erfahrungen wie Hunger, Krankheit oder Traumata tatsächlich Einfluss auf die Gene nehmen: Sie bewirken das Anheften oder Abkoppeln chemischer Marker auf dem DNA-Strang. Diese Marker, sogenannte Methylgruppen, schalten Gene an und aus, weil sie ­jenen Enzymen zur Orientierung dienen, die dafür ­zuständig sind, die Informationen aus dem Erbgut zu lesen und sie in die Realität umzusetzen. Je nachdem, ob Methylgruppen am DNA-Strang kleben oder nicht, verstehen die Enzyme: „Hier ablesen!“ Oder eben: „Hier nicht ablesen!“ Die Umwelt verändert nicht die Gene selbst, wohl aber ihre Interpretation und damit die Aktivität.

In der Epigenetik geht es nicht darum, die DNA zu beeinflussen. Vielmehr handelt es sich um eine be­obachtende Disziplin: Epigenetiker schauen sich das Methylierungsmuster auf der DNA ganz genau an, also die Anzahl und Verteilung der angehefteten Methylgruppen. Aus dem Muster schließen sie, wie Umwelteinflüsse die Genaktivität im Laufe des Lebens verändert haben. Erst seit einigen Jahren ist klar, dass der Prozess dynamisch ist und beispielsweise bei der Entstehung von Krankheiten wie Krebs eine Rolle spielt. Und dass es vorübergehende und bleibende epigene­tische Veränderungen gibt. Weil das Methylierungsmuster so viel über ein Lebewesen verrät, nennen Wissenschaftler es – analog zum Genom – Methylom oder Epigenom.

Die Epigenetik gilt als Bindeglied zwischen Umwelt und Genen, sie ist das Feld in der Biologie, das sich mit dem Erscheinungsbild eines Lebewesens befasst. „Wir sehen zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Leben unterschiedlich aus – je nachdem, wie alt wir sind“, sagt Böhl . „Das lässt sich aber nicht mit den Genen erklären, die ja immer dieselben bleiben, sondern mit der Epi­genetik.“ Sie offenbart das biologische Alter eines Menschen, das unter anderem davon abhängt, ob sich jemand ein Leben lang gesund ernährt, viel geraucht, Sport getrieben oder oft Alkohol getrunken hat.

Epigenetik hilft auch zu erklären, warum in vielen früheren Entwicklungsländern Übergewicht und Diabetes stark zunehmen: In Hungerphasen haben jene die besten Überlebenschancen, die Energie gut speichern können. Sind dann plötzlich genug Lebensmittel vorhanden, legen auch ihre Nachkommen schneller an ­Gewicht zu als der Durchschnitt. In Tierversuchen hatte der Nachwuchs untergewichtiger Mäuse noch zwei Generationen später ein höheres Diabetesrisiko.

Um das Epigenom von Hühnern zu vergleichen, liest Böhls Team bei Evonik aus jedem Satz Geflügel-DNA 26 Millionen Punkte aus. Was kompliziert klingt, ist nicht nur einfacher als bisherige Methoden, sondern viel genauer und günstiger. „Die Analyse kostet nicht mehr als ein T-Shirt“, sagt Böhl. Dennoch sind die Daten­mengen gewaltig – nur ein Algorithmus kann sie auswerten, unterstützt von künstlicher Intelligenz. „Aus diesen Daten erzeugen wir Wissen und ermöglichen Einblicke, die es vorher nicht gegeben hat.“ Weil DNA mit bloßem Auge nicht zu sehen ist, visualisieren die Wissenschaftler den Datenwust als Heatmap – jenes Diagramm, das aussieht wie ein Flickenteppich.

Die erste Erkenntnis von Böhls Team nach Analyse des Hühner-Methyloms war zwar nur ein Zufalls­befund, ist wissenschaftlich aber eine Sensation: Vögel sind, das hat das Methylom aus Spermienzellen gezeigt, evolutionär enger mit Schnabeltieren und Schnabeligeln verwandt als mit Reptilien, Fischen und Säugetieren. Dafür haben Ursäuger wie das Schnabeltier epigenetisch gar nicht so viel mit den heutigen Säugetieren zu tun, wie man immer glaubte. „Diese Entdeckung hat uns total fasziniert“, berichtet Böhl. „Sie erklärt, warum Hühnerzucht schwieriger ist als Säugetierzucht – nämlich weil die DNA-Methylierung in den Keimzellen, also Spermien und Eizellen, anders funktioniert.“

Vor allem jedoch entwickelten die Epigenom-Forscher mithilfe der gewonnenen Daten aus Hühnergewebe eine „epigenetische Uhr“ für das Huhn. Die funktioniert so: Ein intelligenter Algorithmus analysiert das Methylierungsmuster aus der Hühner-DNA, lernt dazugehörige Informationen wie Alter oder Haltungsbedingungen und wird mit jedem Datensatz schlauer. Füttert man ihn mit neuer DNA, gleicht er diese mit seinem vorhandenen Wissen ab und ermöglicht so zuverlässige Aussagen, etwa über die Herkunft des Fleisches – weil jede Haltungsform ein charakteristisches Muster hinterlässt, das nur in einer bestimmten Umgebung entstehen kann.

Darüber hinaus lässt sich aus dem Methylom das biologische Alter der Hühner ablesen. „Noch nie konnte das jemand mit so einer Genauigkeit“, schwärmt Böhl angesichts der Ergebnisse seines Teams. Was sich bei Menschen mit ihrer Lebensspanne von rund 80 Jahren auf drei bis vier Jahre genau vorhersagen lässt, kann Böhl beim Geflügel auf eineinhalb Tage genau definieren. Dies ermöglicht präzise Aussagen über den Zustand der Tiere. In großen Tierbeständen ist das eine wichtige Information, schließlich ist die Gesundheit der Masthühner wichtig für deren Wohl und letztlich für die Qualität ihres Fleisches.

Um sicherzugehen, dass die „Chicken Clock“ als Gesundheitscheck taugt, überprüfte Böhls Team das Methylom an Hühnern mit einer Darmentzündung: „Da zeigte sich, dass das Immunsystem mit unseren Messungen korreliert.“ Die Entzündungsreaktion verändert die Methylierung – auch das ist eine neue Erkenntnis. Der Clou dabei: Das molekularbiologische Tool lässt sich für jede Art von Gewebe einsetzen. „Wir können im Filet messen, im Schenkel oder in einem Teil vom Darm – im Prinzip ist das egal.“

Einer der wichtigsten Partner in Böhls weitverzweigtem Netzwerk ist Prof. Dr. Frank Lyko, mit dem er einst in Heidelberg studierte und der inzwischen am dortigen Krebsforschungszentrum (DKFZ) die Abteilung Epigenetik leitet. Irgendwann erzählte Böhl seinem früheren Kommilitonen vom Hühner-Epigenom. Obwohl das Thema auf den ersten Blick wenig mit der Erforschung von Krebs beim Menschen zu tun hat, zeigte sich Lyko interessiert. Und so wuchs aus den ­ersten gemeinsamen Versuchen eine enge Zusammenarbeit: Böhl nutzt die Infrastruktur am DKFZ, und Lyko profitiert von Böhls Erkenntnissen.

Anders als vor wenigen Jahren wisse man heute, dass Krebs nicht nur von Mutationen in der DNA ausgelöst werde, sagt Lyko. Mittlerweile sei klar: „Auch epi­genetische Mutationen auf der DNA, sogenannte Epimutationen, spielen eine Rolle.“ Erste Krebstests, die auf epigenetischen Markern beruhen, seien zugelassen – und sogar die ersten Medikamente mit epigenetischen Wirkmechanismen. „Wie die Umwelt mit dem Epigenom interagiert, ist bedeutsam für das Verständnis von Krebs, lässt sich aber nicht gut am Menschen untersuchen“, sagt Lyko. Tiermodelle spielen daher eine große Rolle – insbesondere solche von Arten, die genetisch homogen sind, unter standardisierten Bedingungen aufwachsen, aber dennoch unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Diese Voraussetzungen sind bei Hühnern erfüllt.

Lyko schätzt an seinem ehemaligen Studienkollegen Böhl, dass er Wissenschaft und Wirtschaft gleichermaßen im Blick hat: „Er kann wissenschaftliche Diskus­sionen auf einem sehr hohen Niveau führen und ist zugleich dazu in der Lage, daraus eine Geschäftsidee zu entwickeln.“ Böhl räumt ein, dass in seinem Kopf „immer irgendetwas arbeitet“. Er mache sich permanent Gedanken über mögliche Anwendungen für seine Arbeitsgebiete. „Es ist wichtig, Ideen dann auch in die Realität umzusetzen, damit sie Nutzen stiften“, sagt der Forscher. Und obwohl es noch Zeit braucht, bis die epigenetische Uhr in der Fleischindustrie zum Einsatz kommt, sieht er große Chancen. Langfristig sei das Ziel, gemeinsam mit den Erzeugern die Gesundheit von Masttieren noch besser im Auge zu haben und so die Fleischproduktion auf ein neues, nachhaltigeres Level zu heben. Das gilt für Hühnermastbetriebe ebenso wie für Rinderzüchter oder Aquakulturen.

Verbraucher könnten überdies künftig noch bessere Informationen über Fisch oder Fleisch erhalten: Wo lebte der Lachs, bevor er auf meinem Grill landete? War das Schwein vor seiner Schlachtung gesund? Und wurden die Chicken Wings wirklich so nachhaltig produziert, wie es die Verpackung behauptet? Das Epi­genom verrät, was für aufgeklärte Verbraucher heute wichtiger ist denn je: die Transparenz über das Essen auf dem Teller.

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Fotos: Robert Eikelpoth (4), Evonik Industries, Sina Tönges / DKFZ

Illustration: Oriana Fenwick / Kombinatrotweiss mit Fotovorlage von Luise Aedtner