Wie Licht die Aktivität von Nervenzellen steuert – und die gezielte Erforschung der Genregulation ermöglicht

Am 5. Oktober 2026 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin Peter Hegemann, Georg Nagel und Karl Deisseroth für die Entwicklung der Optogenetik zugesprochen. Ihre Arbeiten ermöglichen es, ausgewählte Nervenzellen durch Licht zu beeinflussen und dadurch die Funktion neuronaler Schaltkreise zu untersuchen. news.ki.se

Für die Epigenetik eröffnet diese Technologie eine weiterführende Perspektive: Licht kann auch eingesetzt werden, um epigenetische Enzyme gezielt an bestimmte Genabschnitte zu bringen. Dadurch wird die Regulation von Genen räumlich und zeitlich kontrollierbar.

Was ist Optogenetik?

Die klassische Optogenetik verbindet genetische Methoden mit lichtempfindlichen Proteinen. Hegemann und Nagel untersuchten Channelrhodopsine aus einer einzelligen Grünalge. Diese Proteine bilden Ionenkanäle, die sich durch Licht öffnen lassen. Deisseroth entwickelte daraus eine Methode zur Kontrolle von Nervenzellen.

Werden entsprechende Proteine in ausgewählten Nervenzellen hergestellt, kann Licht deren elektrische Aktivität verändern. Forschende können anschließend untersuchen, welche Folgen die Aktivierung bestimmter Zellen für Verhalten oder andere Funktionen hat. Das ermöglicht gezielte Eingriffe zur Prüfung ursächlicher Zusammenhänge. news.ki.se

Der unmittelbare Mechanismus ist die lichtabhängige Veränderung des Ionenflusses durch die Zellmembran. Eine Veränderung der DNA-Methylierung ist dafür nicht erforderlich.

Wo kommt die Epigenetik hinzu?

Die epigenetische Erweiterung richtet sich auf die Regulation der Genaktivität. Dabei werden lichtempfindliche Proteine mit Komponenten kombiniert, die bestimmte DNA-Abschnitte erkennen und epigenetische Enzyme dorthin bringen.

Konermann und Kollegen beschrieben 2013 sogenannte LITEs: lichtinduzierbare Effektoren zur Kontrolle der Transkription. Ihr System kombinierte eine programmierbare DNA-Bindedomäne mit den pflanzlichen Proteinen CRY2 und CIB1. Die Forschenden demonstrierten damit eine lichtgesteuerte Regulation körpereigener Gene sowie gezielte epigenetische Chromatinmodifikationen in Mausneuronen und im lebenden Mausgehirn (Konermann et al., 2013). Nature

Die entscheidende Erweiterung besteht darin, dass Licht nun auch zur gezielten Beeinflussung der molekularen Bedingungen eingesetzt werden kann, unter denen Gene abgelesen werden.

DNA-Methylierung gezielt mit Licht verändern

Ein besonders anschauliches Beispiel lieferten Lo und Kollegen 2017. In neuralen Stammzellen untersuchten sie das Gen Ascl1, das für die neuronale Entwicklung bedeutsam ist.

Sie verbanden ihr optogenetisches System mit zwei unterschiedlichen Enzymkomponenten:

DNMT3A: eine DNA-Methyltransferase, die Methylgruppen an DNA überträgt.
TET1: ein Enzym, dessen Aktivität an der Entfernung von DNA-Methylierungsmarkierungen beteiligt ist.

Blaues Licht löste die Zusammenlagerung der Proteinkomponenten am ausgewählten Regulationsbereich von Ascl1 aus. Dadurch veränderten sich die lokale DNA-Methylierung und die Genaktivität. Die Arbeit zeigte außerdem, dass sowohl das Ausmaß der Methylierung als auch ihre genaue Position für die Regulation relevant waren (Lo et al., 2017). Scientific Reports

Epigenetische Genregulation lässt sich damit an einem ausgewählten Ort experimentell beeinflussen, ohne die DNA-Sequenz umzuschreiben.

Warum ist das wissenschaftlich bedeutsam?

Eine beobachtete epigenetische Veränderung beweist für sich genommen noch nicht, dass sie eine veränderte Genaktivität verursacht.

Lichtgesteuerte Eingriffe ermöglichen weiterführende Experimente: Forschende können eine definierte Veränderung auslösen und anschließend prüfen, welche Folgen sie hat. Konermann und Kollegen beschrieben diese Möglichkeit ausdrücklich als Ansatz zur Untersuchung kausaler Funktionen genetischer und epigenetischer Regulation. Nature

Daraus ergibt sich eine methodische Konsequenz: Die Epigenetik erhält Werkzeuge, mit denen sich vermutete Regulationsmechanismen unmittelbar prüfen lassen. Dabei bleiben Kontrollen erforderlich, um Wirkungen der eingesetzten Konstrukte und mögliche Veränderungen außerhalb der Zielregion zu berücksichtigen.

Was bedeutet das für die Medizin?

Die genannten Arbeiten belegen experimentelle Möglichkeiten zur gezielten Regulation von Genen. Sie belegen noch keine etablierte optoepigenetische Behandlung beim Menschen. Scientific Reports

Für eine therapeutische Anwendung wären insbesondere die zuverlässige Übertragung der Werkzeuge in die richtigen Zellen, eine ausreichende Lichtzufuhr und die Kontrolle unerwünschter Wirkungen entscheidend. Auch die Dauer einer ausgelösten epigenetischen Veränderung müsste für jede Anwendung untersucht werden.

Zusammenschau

Der Nobelpreis 2026 würdigt die Entwicklung der Optogenetik zur lichtgesteuerten Kontrolle neuronaler Aktivität. Die Epigenetik erweitert deren Forschungsanwendungen auf die gezielte Beeinflussung der Genregulation.

Der Beitrag der Epigenetik besteht darin, DNA-Methylierung und Chromatinmodifikationen als gezielt steuerbare Regulationsprozesse einzubeziehen. Damit lassen sich Fragen untersuchen, die für das Verständnis von Zellfunktion und Erkrankungen wesentlich sind: Welche epigenetischen Veränderungen haben ursächliche Bedeutung, und welche Folgen hat ihre gezielte Veränderung?

Literatur

Karolinska Institutet. (2026, 5. Oktober). Shedding light on the brain’s mysteries – the Nobel Prize honours the pioneers of optogenetics. Mitteilung

Konermann, S., Brigham, M. D., Trevino, A. E., Hsu, P. D., Heidenreich, M., Cong, L., Platt, R. J., Scott, D. A., Church, G. M., & Zhang, F. (2013). Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states. Nature, 500, 472–476. https://doi.org/10.1038/nature12466

Lo, C.-L., Choudhury, S. R., Irudayaraj, J., & Zhou, F. C. (2017). Epigenetic editing of Ascl1 gene in neural stem cells by optogenetics. Scientific Reports, 7, Article 42047. https://doi.org/10.1038/srep42047

Ihr

Eduard Rappold

Note: This information is provided for educational purposes only and does not replace professional medical advice. Always consult qualified healthcare professionals for medical concerns.

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Eduard Rappold

Eduard Rappold ist Autor, Unternehmer und als Arzt wissenschaftlicher Vermittler im Bereich Epigenetik und Präventionsmedizin. Im Zentrum seiner Arbeit steht die Frage, wie Umwelt, Verhalten und biografische Erfahrungen die Regulation unserer Gene beeinflussen – und welche Konsequenzen sich daraus für Gesundheit, Alterungsprozesse und chronische Erkrankungen ergeben. Sein Ansatz verbindet: aktuelle Erkenntnisse der Epigenetik neurobiologische Stressforschung mitochondriale und metabolische Regulation präventive und lebensstilbasierte Medizin Als Betreiber der Plattform epigenetik.at macht er komplexe wissenschaftliche Zusammenhänge für ein breites Publikum zugänglich. Dabei liegt der Fokus auf einer klaren, verständlichen Darstellung ohne Vereinfachung der Inhalte. Ein besonderer Schwerpunkt seiner Arbeit ist die Rolle von chronischem Stress als zentralem biologischen Faktor für Dysregulation, beschleunigtes Altern und Krankheitsentstehung. Eduard Rappold ist zudem Co-Autor einer wissenschaftlichen Studie zur Rolle von Antioxidantien und genetischen Faktoren bei neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere Alzheimer.