Welchen Einfluss hat die Epigenetik?

Wirksamkeit, Toxizität und Nebenwirkungen vieler Arzneistoffe können von Patient zu Patient variieren. Das wird häufig auf genetische Varianten der ADME-Gene zurückgeführt, die zum einen vererbt werden, zum anderen durch Mutation entstehen und Absorption, Distribution, Stoffwechsel und Exkretion (ADME) bestimmen (1). So wird der aktive Metabolit des Thrombozytenaggregationshemmers Clopidogrel über CYP2C19 gebildet und hemmt den Adenosindiphosphat-Rezeptor (P2Y12-Rezeptor) auf Thrombozyten. CYP2C19 tritt in verschiedenen Genvarianten auf, die mit unterschiedlich starker Hemmung der Thrombozytenaggregation korreliert sind und als relevant für die Dosisfindung erachtet werden (2).

In den vergangenen Jahren wurde allerdings deutlich, dass neben genetischen Varianten auch epigenetische Mechanismen im Zellkern dazu beitragen, welche Gene im Patienten tatsächlich abgelesen und welche stillgelegt werden. Dabei steuern epigenetische Markierungen an der Erbsubstanz die Expression von Proteinen, zum Beispiel von Rezeptoren, Transportern oder Proteinen mit enzymatischer Aktivität zur Metabolisierung. So wurde in aktuellen Untersuchungen ein verändertes epigenetisches Profil der Blutzellen in Zusammenhang mit einer Clopidogrel-Resistenz gebracht (3). Dies zeigt, wie die Epigenetik in der Arzneimittelforschung an Bedeutung gewinnt.

Die detaillierte Aufklärung der epigenetischen Mechanismen im Kontext der Arzneimittelwirkung übernimmt die Pharmakoepigenetik. Sie untersucht auch, welche Faktoren – von Ernährung über Pestizide, Bisphenol A (BPA) aus Kunststoffartikeln bis hin zu Lebensumständen – die Epigenetik und damit auch die Medikamentenwirkung beeinflussen können (1).

Gesunde Zellen eines Organismus haben alle dieselbe DNA, deren etwa 2 m langer Doppelstrang im Zellkern eng gepackt um Proteinkomplexe (Histone) gewickelt ist und so das Chromatin bildet. An Stellen der DNA, an denen gerade Gene abgelesen werden, ist das Chromatin aufgelockert, sodass Transkriptionsfaktoren binden und das Ablesen der DNA starten können. An Bereichen, die gerade nicht abgelesen werden, bleibt das Chromatin dicht gepackt.

Das Öffnen und Schließen der Bereiche wird über epigenetische Markierungen (epigenetic marks) gesteuert, die an DNA und Histone als chemische Anhängsel angefügt und wieder abgetrennt werden können. Anders als Mutationen verändern die angehängten Methyl- und Acetylgruppen nicht die DNA-Sequenz als solche, sondern lediglich die Verpackung der DNA. Damit regeln sie deren Zugänglichkeit für Transkriptionsfaktoren und Polymerasen sowie gemeinsam mit der Stabilität der gebildeten mRNA die Effizienz der Genexpression. Die Gesamtheit der epigenetischen Markierungen wird als Epigenom bezeichnet.

Durch die Entwicklung von Next-Generation-Sequencing und Auswerte-Algorithmen in den letzten zwei Dekaden wurde das »Mapping«, das heißt die Bestimmung epigenetischer Muster in Proben von Zellen, Geweben und Körperflüssigkeiten, möglich. Mehr als 20 verschiedene Mechanismen sind inzwischen bekannt, von denen die DNA-Methylierung, die Histonmethylierung und -acetylierung sowie die nicht-codierende RNA bisher am besten beschrieben sind (Tabelle 1) (4, 5).

Bei der DNA-Methylierung hängen zelluläre DNA-Methyltransferasen (DNMT) Methylgruppen an das Nukleotid Cytidin, wenn dieses in sogenannten CpG-Inseln (Cytosin-phosphatidyl-Guanin-Inseln) der DNA-Sequenz vorkommt. Die Methylreste werden wie Stecknadelköpfe angebracht, an die wiederum methylbindende Proteine anheften können und so zur Kondensation (Verdichtung) des Chromatins und damit Behinderung der Transkription führen (»gene silencing«).

Epigenetische Markierungen spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Differenzierung von Zellen. Veränderungen werden mit verschiedenen Erkrankungen von Krebs, Diabetes bis zu neurologischen Störungen in Zusammenhang gebracht. So gilt ein verändertes genomisches DNA-Methylierungsmuster als häufiger Auslöser von unkontrolliertem Zellwachstum im Rahmen der Tumorentstehung. Erste In-vitro-Assays zum Nachweis methylierter DNA wurden bereits als Biomarker für die Tumordiagnostik entwickelt. Die Methylierungs-Assays Epi proColon® (FDA-Zulassung) und Epi proLung® (CE-Zertifizierung) sind bereits kommerziell erhältlich, wenn auch die Erstattung in Europa noch umstritten ist (6).

Auch beim Ansprechen von Krebszellen auf Chemotherapeutika wird der Epigenetik eine wichtige Rolle zugesprochen. So kann beim Glioblastom, einem bösartigen Hirntumor, die Bestimmung methylierter DNA bereits zur Therapievorhersage beitragen. Hierbei wird anhand des DNA-Methylierungsgrades am Promotor des DNA-Reparaturgens MGMT (O⁶-Methylguanin-DNA-Methyltransferase) abgeschätzt, ob eine Chemotherapie mit dem alkylierenden Zytostatikum Temozolomid beim einzelnen Patienten Erfolg versprechend ist oder nicht (7, 8).

In anderen Studien wurde das Ansprechen des Brustkrebsmedikaments Tamoxifen mit dem Auftreten von microRNA bei Estrogenrezeptor-(ER-)positivem Brustkrebs korreliert. Wenn sich der Zusammenhang in weiteren Studien bestätigt, könnte microRNA in Zukunft die Bestimmung des Rezidivrisikos unterstützen (9).

Die Erkenntnis, dass im Tumor wachstumsrelevante Gene durch epigenetische Markierungen an- und abgeschaltet werden, hat zur Entwicklung sogenannter Epidrugs geführt, die direkt auf Ebene der Epigenetik eingreifen und das An- und Abhängen der Markierungen beeinflussen. Einige haben sich als direkt zytotoxisch erwiesen, andere hemmen die Resistenzentwicklung der Tumorzellen gegenüber verschiedenen Therapeutika. Eine Reihe von Inhibitoren der DNA-Methyltransferasen (DNMT), der Histondeacetylasen (HDAC) und der Histonmethyltransferasen (HMT) sind inzwischen gut etabliert und werden meist in Kombination mit klassischen Chemotherapeutika verabreicht (Grafik) (10).

So sind die DNMT-Inhibitoren Azacitidin und Decitabin seit mehr als zehn Jahren in den USA und Europa zugelassen und unterstützen die Therapie von akuter myeloischer Leukämie (AML), myelodysplastischem Syndrom und myelomonozytärer Leukämie. Sie lagern sich in die DNA der Krebszellen ein und unterdrücken die Methylierung an CpG-Inseln der DNA, was zur Reaktivierung und Normalisierung der Genexpression führt (10).

HDAC-Hemmer wie Vorinostat, Belinostat und Romidepsin sowie das auch in der EU zugelassene Panobinostat verhindern das Abtrennen von Acetylresten an Histonen, lockern damit das Chromatin auf und reaktivieren im Tumor stillgelegte Gene. Die teils nur in den USA, teils auch in Europa zugelassenen Substanzen kommen unter anderem beim kutanen T-Zell-Lymphom und Multiplen Myelom zum Einsatz. Auch einige natürlich vorkommende Substanzen wie das Antimykotikum Trichostatin aus dem Bakterium Streptomyces platensis wirken als HDAC-Hemmer, wurden aber nur in wenigen Studien mit Blick auf eine mögliche Tumortherapie untersucht (11, 12).

Bisherige Epidrugs wurden durch traditionelles Drug Discovery entwickelt, was mit hohen Kosten verbunden ist. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch »Drug Repurposing«, das heißt der Analyse vorhandener Arzneistoffe für neue therapeutische Zwecke (11).

Die Identifizierung möglicher Kandidaten erfolgt anhand gesammelter Datensätze zu Substanzen, bei denen die präklinische Phase bereits abgeschlossen ist. Das spart Zeit und verbessert die Kosten-Nutzen-Effizienz der Entwicklung. In den Blick genommen werden Arzneistoffe, die zuvor für andere Indikationen zugelassen waren, wegen unerwünschter Wirkungen oder Sicherheitsbedenken aber vom Markt genommen wurden oder durch Off-Target-Effekte aufgefallen sind. Auch die Entdeckung neuer Erfolg versprechender Zielmoleküle macht die Neupositionierung von Arzneistoffen für die pharmazeutische Industrie attraktiv (11).

So gibt es schon länger Hinweise darauf, dass auch etablierte Arzneistoffe aus der Neurologie, Kardiologie oder Anästhesie epigenetische Mechanismen der Zellen beeinflussen. Ein Beispiel ist das Antiepileptikum Valproinsäure (Valproat), das spannungsabhängige Natrium- und Calciumkanäle blockiert und die GABA-Konzentrationen im Gehirn durch Einfluss auf GABA-Synthese und -Abbau verringert. Darüber hinaus beeinflusst Valproat in verschiedenen Tumorzelllinien auch die Aktivität von Histondeacetylasen und damit die Genexpression. Auch der gefäßerweiternde Blutdrucksenker Hydralazin, das Antiarrhythmikum Procainamid und das Lokalanästhetikum Procain wurden als epigenetisch wirksame Substanz beschrieben, welche die DNA-Methylierung effektiv inhibieren können (14).

Außerdem zeigt sich der Einfluss der Epigenetik auch im neuropsychiatrischen Bereich immer deutlicher. So wurde unter experimentellen Bedingungen gefunden, dass die trizyklischen Antidepressiva Amitriptylin, Imipramin und Paroxetin die Aktivität von DNA-Methyltransferasen und die selektiven Serotonin-Wiederaufnahme-Inhibitoren (SSRI) Escitalopram und Fluoxetin die DNA-Methylierung und Histonacetylierung beeinflussen (Grafik) (15, 16).

Auch psychoaktive Substanzen wie Opioide und Tetrahydrocannabinol (THC) werden hinsichtlich epigenetischer Effekte untersucht. Opioide erhöhen den Dopaminspiegel im Gehirn und aktivieren damit das Belohnungssystem. Neben DNA-Methylierung und Histonacetylierung beeinflussen sie die Expression von ncRNA im gesamten Belohnungsschaltkreis, was auch für die Entwicklung von Abhängigkeiten von Kokain und Opioiden verantwortlich gemacht wird (17, 18, 19).

All diese Beobachtungen sind Hinweise aus experimentellen Ansätzen. Ob und wie sie die Wirkung oder Nebenwirkungen der Arzneistoffe im Menschen erklären können, bedarf noch mehr Untersuchungen.

Epigenetische Mechanismen stehen nie für sich allein, sondern führen im Zusammenspiel mit unterschiedlichen genetischen Varianten zur individuellen Wirkung. Außerdem wird die Epigenetik auch durch exogene Faktoren wie Ernährung, Umgebungsfaktoren und Lebensumstände beeinflusst.

Die Wirkung einer ganzen Reihe von Vitaminen, Fettsäuren und anderen Nahrungsbestandteilen auf den Körper wird umfassend untersucht. Auch wenn viele Effekte bisher erst unter experimentellen Bedingungen beschrieben sind, mehren sich die Hinweise, dass die Epigenetik ein Bindeglied zwischen Ernährung und Umweltbedingungen auf der einen Seite und gesundheitlichen Veränderungen auf der anderen Seite ist (4).

So dienen Vitamin B6 und 12, Folsäure sowie Cholin und Betain als Vorläufersubstanzen von S-Adenosylmethionin (SAM), das als Methyldonor an der DNA-Methylierung beteiligt ist. Polyphenole, zum Beispiel aus Grüntee-Extrakten und Epigallocatechingallat (EGCG), Flavonoide wie Quercetin, Fisetin und Flavonole sowie Resveratrol und Kaffeesäure wirken dagegen als Methylierungsinhibitoren. Isoflavonoide wie Genistein aus der Sojabohne fördern über die Aktivierung von Estrogenrezeptoren die Histonacetylierung, wohingegen für Knoblauchinhaltsstoffe wie Diallyldisulfide, S-Allylmercaptocystein und Allylmercaptan sowie für das Isothiocyanat Curcumin hemmende Effekte auf Histondeacetylasen beschrieben sind (14) (Tabelle 2).

Auch zahlreiche Umweltschadstoffe sind als epigenetisch aktiv beschrieben, darunter Metalle wie Arsen, Feinstaub aus der Luftverschmutzung, organische Verbindungen, Pestizide und Bisphenol A (BPA). Letzteres wird bei der Herstellung von Kunststoffen und Epoxidharz eingesetzt und gilt als endokriner Disruptor, das heißt als Substanz mit hormonähnlicher Wirkung. Wie andere hormonaktive Substanzen greift BPA in epigenetische Mechanismen ein (Methylierung von CpG-Inseln, Histonmodifikation, Bildung von ncRNA) und verändert damit die Genexpression (22).

Es gibt Hinweise, dass bestimmte Nährstoffe und Ernährungsmuster vor solchen negativen Effekten schützen können. So wurde im Mausmodell gezeigt, dass eine gute Versorgung mit Methyllieferanten wie Vitamin B12 und Folat die Epigenom-verändernde Wirkung von BPA dämpfen kann (22).

Die Pharmakoepigenetik ist eine noch recht junge Wissenschaft, die gemeinsam mit der Pharmakogenetik den Effekt auf und von Arzneistoffe(n) untersucht. Mit Erkenntnissen zur epigenetischen Regulation von Stoffwechsel und Transport sowie Targets und Rezeptoren der Arzneistoffe trägt sie zur Aufklärung von individuellem Ansprechen und Nebenwirkungen bei und unterstützt die Entwicklung von Biomarkern und Epidrugs zur Entwicklung stratifizierter personalisierter Therapien (23).