Wissenschaftlern des London University College ist es kürzlich gelungen mit Hilfe elektrischer Wellen die Bewegungen freiwilliger Versuchsteilnehmer zu verlangsamen.
In der Neurologie ist es heute nicht nur möglich die elektrische Aktivität im Gehirn zu messen (EEG), sondern auch auf diese einzuwirken (Transkranielle Wechselstromstimulation, tACS). Das machten sich die Forscher um Alek Pogosyan bei ihrem Versuch zunutze. Sie konzentrierten sich dabei auf Hirnwellen mit der Frequenz 20 Herz, die zu den sogenannten Beta-Wellen zählen. Beta-Wellen können zum einen im REM-Schlaf gemessen werden, darüber hinaus treten sie auf, wenn tonische (unbewusste) Kontraktionen stattfinden. Die Tatsache, dass die Beta-Aktivität im Gehirn kurz vor dem Ausführen einer bewussten Bewegung stark abfällt, brachte die britischen Forscher auf ihren Versuchsansatz. Sie wollten feststellen, welche Folgen die Aufrechterhaltung der Beta-Aktivität während bewusster Bewegungen hat.

Dazu sollten Versuchsteilnehmer mit einem Joystick einen Punkt auf einem Bildschirm im Inneren eines sich bewegenden Kreises halten. Führten die Freiwilligen den Versuch ohne Einwirken der Wissenschaftler durch, konnte – wie erwartet – kurz vor der Bewegungsreaktion ein Abfallen der Beta-Wellen gemessen werden. Als die Forscher jedoch das Nachlassen der Beta-Aktivität mit Hilfe von Elektroden am Kopf der Versuchspersonen verhinderten, passierte das Erstaunliche: Zwar konnten die Versuchspersonen weiterhin genauso schnell motorisch reagieren, doch waren ihre Bewegungen stark verlangsamt. Den Wissenschaftlern war es geglückt, die Studienteilnehmer durch Beta-Wellen in Zeitlupe zu versetzen. Dieser Effekt trat jedoch nur dann ein, wenn es sich um bewusste Bewegungen handelte; unbewusste, reflexartige Bewegungen hingegen konnten auf diese Weise nicht beeinflusst werden.

Mit dieser Studie gelang es erstmals, einen Zusammenhang zwischen oszillierender Hirnaktivität und motorischen Reaktionen nachzuweisen. In der medizinischen Forschung könnten die Ergebnisse bei der Entwicklung von Behandlungsformen für die Parkinsonkrankheit helfen. Die erhöhte Beta-Aktivität, die bei Parkinsonkranken auftritt, könnte möglicherweise die Ursache für die verlangsamten Bewegungen der Betroffenen sein.

Versucht man, sich bewusst an etwas Vergangenes zu erinnern, ist bei diesem Prozess der Hippokampus von entscheidender Bedeutung. Welche Rolle dieser Hirnregion dabei aber genau zugeschrieben werden kann, wird in Fachkreisen kontrovers diskutiert. Eine Theorie besagt, dass selbst wenn ein Mensch sich nicht bewusst an etwas erinnern kann, der Hippokampus nichtsdestotrotz die richtige Information weitergibt.

Um dieser Theorie genauer auf den Grund zu gehen, führten die beiden Doktorinnen Deborah Hannula und Charan Ranganath an der Universität von Kalifornien eine Studie durch. Sie zeigten Versuchspersonen verschiedene Szenen, jeweils zeitgleich mit dem Bild eines Gesichtes. Die Studienteilnehmer sollten sich diese Paare aus einer Szene und einem Gesicht einprägen. Zu einem späteren Zeitpunkt wurden den Teilnehmer die Szenen erneut gezeigt und sie sollten jeweils aus drei Gesichtern das Gesicht auswählen, das zuvor mit der Szene assoziiert war. Während die Versuchspersonen sich bemühten, sich das richtige Gesicht in Erinnerung zu rufen, wurde ihre Hirnaktivität mittels Magnetresonanztomografie (MRT) überwacht. Darüber hinaus wurde auch die Bewegung ihrer Augen während des Erinnerungsprozesses aufgezeichnet.

Von der Augenbewegung der Studienteilnehmer konnten die Wissenschaftler nun geradezu ablesen, welches das richtige Gesicht war. Denn der Blick der Teilnehmer richtete sich meist länger auf das gesuchte Bild als auf die beiden anderen. Noch erstaunlicher waren die Ergebnisse der MRT: Die Hippokampus-Aktivität spiegelte die Tendenz der Teilnehmer wider, das vorher mit der Szene verbundene Gesicht anzusehen. Selbst wenn sie nicht im Stande waren, das richtige Gesicht zu identifizieren, hätte man es doch anhand ihrer Hippokampus-Aktivität ausmachen können. Die Wissenschaftler konnten den Teilnehmern die richtige Antwort also sprichwörtlich von den Augen ablesen.

Dass sich manche Teilnehmer – obwohl die Erinnerung an das richtige Gesicht offensichtlich vorlag – für ein falsches Bild entschieden, erklären möglicherweise die weiteren Ergebnisse der Studie: Die Aktivität des präfrontalen Cortex – einer Hirnregion, die bei der Entscheidungsfindung eine bedeutende Rolle spielt – spiegelte wider, ob sich die Teilnehmer richtig oder falsch entschieden hatten. Zudem hatte die Kommunikation zwischen dem Hippokamus und dem präfrontalen Cortex zugenommen, wenn sich die Teilnehmer für das richtige Gesicht entschieden hatten. Nicht aber wenn die Teilnehmer mit ihrer Entscheidung daneben lagen.

Erinnerungen scheinen demnach auch dann unbewusst vorzuliegen, wenn wir selbst nicht mehr bewusst auf sie zugreifen können. Möglicherweise liegt eine falsche Erinnerung „nur“ daran, dass die Kommunikation zwischen den betreffenden Hirnregionen nicht ungestört abläuft.

Das Ziel klingt verführerisch: Fisch so zu manipulieren, dass er nicht nur schneller wächst als herkömmliche Arten, sondern zudem gegen Krankheitserreger resistent und darüber hinaus noch unempfindlich gegenüber Kälte ist. Die Möglichkeiten der Gentechnik lassen heutzutage diese noch vor nicht allzu langer Zeit utopischen Wünsche Wirklichkeit werden. Dabei geht man mittlerweile soweit, nicht nur die Gene der jeweiligen Art zu verändern, sondern in die Tiere oder Pflanzen artfremde – bisweilen auch menschliche – Gene einzuführen. Wird ein Organismus mit Genen einer anderen Art ausgestattet, bezeichnet man ihn als transgen.

Transgener Fisch zur Rettung der Wildbestände?

Wissenschaftler rund um den Globus arbeiten daran transgene Fische zu erzeugen, die der steigenden Nachfrage der Verbraucher gerecht werden können. Neben Forellen und Karpfen liegt das Interesse der Forscher vor allem bei atlantischem Lachs.
Im Jahr 2005 wurden weltweit über 93 Millionen Tonnen Fisch und Meeresfrüchte gefangen, zudem knapp 50 Millionen Tonnen in Aquakulturen erzeugt (Quelle: Food and Agriculture Organization). Eine schnelle und problemfreie Zucht transgener Tiere soll nun die Überfischung der Meere verlangsamen, wenn nicht gar stoppen.

Gentechnik im Aquarium

Öffentlich vermarktet wurden bisher lediglich transgene Zebrafische. Die von der Universität Singapur entwickelten fluoreszierenden Tiere sind in Taiwan seit Mitte 2003 erhältlich. In den USA können sich Aquaristen seit 2004 an sogenanntem „GloFish“ erfreuen; Ebenfalls Zebrafische, die dank eines Gens der Seeanemone bei Lichteinfall leuchten.

Transgener Fisch: Eine Bedrohung natürlicher Fischbestände?

Nun wird auch die kommerzielle Zucht transgener Fische für den weltweiten Konsum nicht mehr lange auf sich warten lassen. Um die möglichen Risiken einschätzen zu können, forschten Wissenschaftler der Universität Göteborg im Auftrag der EU an den transgenen Tieren. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf den Auswirkungen, die die ungewollte Freisetzung der transgenen Fische auf die natürlichen Fischbestände haben kann. Die Ergebnisse der Studie sind alarmierend: Es sollte davon ausgegangen werden, dass transgener Fisch – wird er einmal in die Umwelt entlassen – die vorhandenen, nicht genetisch manipulierten Fische verdrängt. Diese Folge wäre nur allzu logisch, schließlich wurde der transgene Fisch ja gerade dazu gezüchtet, widerstandsfähiger zu sein als die natürlichen Artgenossen.

Neue Eigenschaften mit unerwünschtem Nebeneffekt

Die artfremden Gene, mit denen transgene Fische ausgestattet sind, helfen ihnen bspw. kältere Temperaturen zu tolerieren. Kälteeinbrüche, die herkömmliche Fischbestände bedrohen, sind für die gentechnisch veränderten Tiere kaum ein Problem. Das schnellere Wachstum der transgenen Fische verschafft ihnen zudem Vorteile im Konkurrenzkampf um Nahrung und Lebensraum. Und schließlich sind natürlich vorkommende Fische durch Krankheiten und Gifte bedroht, die den manipulierten Fischen dank ihrer zusätzlichen Gene häufig nichts anhaben können. Für die Verbraucher kommt durch eben diese Veränderung noch ein weiteres Problem hinzu: Da der transgene Fisch gegen manche Gifte resistent ist, können sich diese im Organismus unbehelligt ansammeln. Der Konsument nimmt am Ende diese Pestizide beim Verzehr des Fisches auf.

Trasgenen Fisch mit Vorsicht genießen

Auch wenn transgen erzeugter Fisch die Hoffnung birgt, die natürlichen Fischbestände vor übermäßiger Befischung zu schützen, sollte diese moderne Form der Zucht mit Vorsicht betrieben werden. Die Wissenschaftler um Fredrik Sundström der Universität Göteborg raten deshalb dazu, transgenen Fisch ausschließlich in streng kontrollierten Aquakulturen im Landesinneren zu züchten.

10 Fakten zur Epigenetik

1) Was ist Epigenetik?
Lange Zeit dachte man, die Genetik, deren Forschungsschwerpunkt die DNA darstellt, könne alle Fragen nach den Abläufen der Vererbung beantworten. Mittlerweile konnte mehrfach nachgewiesen werden, dass nicht allein die Ausstattung mit Genen über Aussehen, mögliche Krankheiten und anderes bestimmt. Die Epigenetik verspricht Licht in so manches Vererbungsrätsel zu bringen. Die noch relativ junge Forschungsrichtung untersucht Mechanismen, die die Genregulation und Genexpression steuern. Also diejenigen Vorgänge, die darüber entscheiden, welche Gene tatsächlich aktiv sind bzw. ungenutzt bleiben.

2) Seit wann gibt es die Epigenetik?
Die Epigenetik ist ein verhältnismäßig junges Untersuchungsgebiet. Der britische Biologe Conrad Hal Waddington (1905-1975) gilt heute als Begründer dieser Forschungsrichtung. Er definierte 1942 erstmals den Begriff „Epigenetik“.

3) Welche Mechanismen liegen der Epigenetik zugrunde?
Es gibt verschiedene Wege auf denen epigenetische Faktoren die Umsetzung der Gene regulieren. Zum einen sorgen Methylgruppen dafür, dass bestimmte Abschnitte der DNA besser, schlechter oder gar nicht zugänglich sind. Zum anderen können bestimmte Eiweiße, sogenannte Histonproteine, um die die DNA gewickelt ist, verändert werden. Beide Vorgänge sorgen dafür, dass die betroffenen Gene häufiger, seltener oder gar nicht umgesetzt werden. Die sogenannte RNA-Interferenz setzt an einem späteren Zeitpunkt der Genregulation an. Durch diesen Mechanismus werden bereits entstandene Proteinvorlagen (Boten-RNA) abgefangen und das Entstehen der entsprechenden Eiweiße wird verhindert.

4) Welche Bedeutung kommt epigenetischen Faktoren zu?
Das Epigenom, also die Summe der epigenetischen Faktoren, ist nicht nur in der Entwicklung eines Lebewesens von entscheidender Bedeutung, sondern reguliert nach heutigem Forschungsstand auch im Laufe des Lebens viele relevante Vorgänge.

5) Kann sich das Epigenom im Laufe des Lebens verändern?
Die Faktoren, die das Epigenom eines Lebewesens ausmachen, sind keineswegs starre Gebilde. Heute weiß man, dass bspw. Methylierungen einem ständigen Wandel unterzogen sein können. Sie können bedingt durch Umwelteinflüsse neu entstehen oder an anderer Stelle wieder abgebaut werden. Neben der Ernährung scheinen u.a. auch psychische Faktoren Veränderungen im Epigenom auslösen zu können.

6) Können epigenetische Marker vererbt werden?
Im Jahr 1999 konnte die Biologin Emma Whitelaw nachweisen, dass das Epigenom vererbt wird. Dies ist insofern wenig verwunderlich, als die DNA in Form von Chromosomen vererbt wird. Methylgruppen und Histonproteine sind Bestandteil der Chromosomen und werden somit an die Nachkommen weitergegeben. Inzwischen ist zudem bekannt, dass die Vererbung der epigenetischen Marker nicht bei den direkten Nachkommen halt macht, sondern sich über mehrere Generationen fortsetzen kann.

7) Haben epigenetische Faktoren Einfluss auf die Entstehung von Krebs?
Die Entstehung von Krebs kann eine bis heute nicht abschließend überblickte Vielzahl von Ursachen haben. Studien konnten belegen, dass es häufig dann zu Krebs kommt, wenn die reguläre Teilung der Zellen gestört ist. In einem gesunden Organismus sorgen bestimmte Gene für die Kontrolle der Zellteilung. Methylierungen an diesen Genen können diese inaktivieren und zu unkontrollierten Zellwucherungen – Krebs – führen. Andersherum können Zellen, die die Entstehung von Krebszellen verhindern, durch Methylgruppen blockiert sein. Das in Grünem Tee enthaltene Epigallocatechin-3-gallat (EGCG) bspw. scheint dafür zu sorgen, dass eben diese Zellen wieder aktiviert werden.

8) Welche Bedeutung hat die Epigenetik für heute weit verbreitete Krankheiten?
Die Erkenntnis, dass epigenetische Faktoren auf weitere Generationen vererbt werden können, führte zwangsläufig zur Vermutung, dass die Ursache mancher Krankheit im Epigenom zu suchen ist. Trotz komplexer Vererbungsmuster konnte bspw. in vielen Fällen ein Zusammenhang zwischen schlechten Ernährungsbedingungen der Eltern und einem Auftreten von Diabetes in der Folgegeneration festgestellt werden. Bei Mäusen zeigte sich, dass eine Unterernährung der Elterngeneration sich über Generationen in Form von diabetischen Erkrankungen äußern kann.

9) Wie kann man das Epigenom untersuchen?
Die Wissenschaft ist heute mit verschiedenen Methoden ausgerüstet, die die Untersuchung epigenetischer Komponenten ermöglichen. Dabei ist weniger die DNA selbst im Blickpunkt der Forschung, als vielmehr die aus der DNA entstandenen Eiweiße. Durch molekulare Verfahren werden alle diese Genprodukte in einer Zelle sichtbar gemacht. Vergleicht man nun die Genprodukte von Eltern und Nachkommen, können epigenetische Veränderungen sichtbar gemacht werden.

10) Ist der epigenetische Code bereits entschlüsselt?
Obwohl man heute bereits vieles über das Epigenom weiß, steckt die Epigenetik noch in den Kinderschuhen. Die Entschlüsselung der epigenetischen Faktoren stellt die Wissenschaft vor keine leichte Aufgabe. Die unzähligen beteiligten Komponenten zu einem verständlichen Bild zusammenzusetzen, wird weitere Jahre der Forschung beanspruchen und mag sich möglicherweise noch komplizierter darstellen als die Entschlüsselung des genetischen Codes.