wie sport wirkt

Wer sich zeitlebens viel bewegt, ist epigenetisch anders. Muskelzellen prägen sich durch Sport in Richtung Gesundheit um.

Von Peter Spork

Heute schon gelaufen? Oder wenigstens mit dem Fahrrad zur Arbeit gefahren? Wenn nicht, sollten Sie sich für den Abend vielleicht noch schnell mit Freunden zum Kicken im Park verabreden oder ins Fitness-​Studio gehen. Laut Statistik werden Menschen, die ihr Leben lang aktiv waren und viel Sport gemacht haben, im Alter seltener und später krank. Ihr Risiko für Stoffwechselstörungen wie Typ-​2-Diabetes oder Herz-​Kreislauf-Leiden wie Herzinfarkt und Schlaganfall ist deutlich kleiner. Selbst vor Altersdemenz scheint regelmäßiger Sport ein Stück weit zu schützen. Er hält uns vermutlich einfach länger jung.

All das ist längst bekannt und konnte in vielen großen epidemiologischen Studien immer wieder bestätigt werden. Nicht umsonst empfiehlt so gut wie jedes Präventionsprogramm neben einer ausgewogenen Ernährung und ausreichend Schlaf vor allem: Sport, Sport, Sport.

Sehr viel weniger konnte die Wissenschaft bisher jedoch darüber herausfinden, wie es dem täglichen Schinden und Überwinden überhaupt gelingt, uns widerstandsfähiger zu machen. Welche molekularbiologischen Prozesse stößt es an, wenn ich immer wieder meine zehn Kilometer-​Runde laufe, das Skiff beschleunige, in die Pedale trete, Gewichte stemme oder mich beim Fußball verausgabe? Was passiert in meinem tiefsten Innersten, in den Kernen meiner 30 Billionen Zellen, in denen mein Zellstoffwechsel gesteuert wird?

Grundlagenforschung ist teuer, aber wichtig

Studien, die vom Lebensstil ausgelöste Veränderungen unserer Physiologie ergründen, sind sehr teuer – und folglich fast immer klein. Das reduziert ihre medizinische Aussagekraft, macht sie aber keinesfalls überflüssig. Denn auf einer anderen Ebene bereichert die Grundlagenforschung unser Wissen über funktionale Zusammenhänge.

Bei der Aufklärung biomedizinischer Prozesse reicht es eben nicht, den Körper und die Zellen wie bei epidemiologischen Beobachtungen als schwarze Box zu betrachten. Man kann sich nicht immer damit zufrieden geben, eine reine Korrelation zwischen Eingang (zum Beispiel Sport) und Ausgang (verlangsamtes Altern) festzustellen. In einigen solcher kostspieligen Untersuchungen messen Forscher mit Hilfe moderner Apparate, welche Gene in bestimmten Zellen aktiv sind, sie messen die Proteine, die die Zellen gerade erzeugen oder sie lesen aus, in welchem epigenetischen Programm sich die Zelle zur Zeit befindet. Epigenetische Programme legen fest, welche Gene die Zelle überhaupt benutzen kann und welche nicht – in welchem Modus sie sozusagen arbeitet.

Jetzt gelang es Wissenschaftlern aus Dänemark und den USA, die schwarze Box zwischen Sport und Alterung genau an diesem Punkt ein wenig heller auszuleuchten. Birgitte Regenberg und Kolleg*innen erfassten die epigenetischen Spuren, die lebenslanger Sport in Muskelzellen hinterlässt (Quellenangaben im Anhang). 

Die neue Studie ist die aktuellste in einer Reihe gut gemachter und clever angelegter Untersuchungen. Sie haben zwar sämtlich geringe Probandenzahlen, aber erlauben ähnliche Schlussfolgerungen: Menschen, die regelmäßig Sport treiben, wechseln epigenetisch in ein anderes Programm. Das hält sie länger jung. Und es verringert die Gefahr für eine Reihe so genannter Alters-​ und Zivilisationskrankheiten.

Epigenetische Strukturen reagieren schon nach 20 Minuten

Wie rasch und flexibel sich die epigenetischen Strukturen an und neben den Genen verändern, zeigten Forscher*innen um Juleen Zierath vom schwedischen Karolinska-​Institut schon im Jahr 2012. Ein 20-​minütiges Training auf einem Fahrrad-​Ergometer reicht demnach für den gezielten Abbau von Methylgruppen an der DNA in den beteiligten Muskelzellen aus.

Die Epigenetiker entnahmen den gesunden aber untrainierten Probanden vor und nach dem Training winzige Muskelproben. Am Energiestoffwechsel beteiligte und zuvor stumm geschaltete Gene – wer es genau wissen will: PPAR-δ, PGC-1α und andere - waren danach wegen einer plötzlichen Demethylierung an ihren Kontrollregion leichter ablesbar. Dieser Effekt war umso stärker, je intensiver die Testpersonen in die Pedale traten. Die Methylierung anderer Gene blieb dagegen unverändert.

Ähnlich schnell reagieren unsere epigenetischen Schalter übrigens auch auf Stresssituationen. In Blutzellen kann man schon zehn Minuten nach einem speziellen Stresstest epigenetische Veränderungen messen. Diese sind allerdings weitere 80 Minuten später verschwunden oder sogar ins Gegenteil verkehrt, das heißt, wo zuvor vermehrt Methylgruppen angebaut waren, ist deren Zahl plötzlich vermindert.

Kurzfristige Einflüsse wie Sport oder Stress programmieren unsere Zellen also vermutlich nicht dauerhaft um. Halten die Reize aber länger an und kehren sie zudem häufig zurück, scheinen die Zellen ihre epigenetischen Veränderungen irgendwann „regelrecht einzufrieren“, wie es der Basler Epigenetiker Renato Paro formuliert.

Sechs Monate Sport verändern Fett- und Muskelzellen

Dafür spricht nicht nur die neue dänisch-​US-amerikanische Studie. Schon im Jahr 2013 zeigte ein anderes schwedisches Forscher*innenteam von der Universität Lund, dass ein sechsmonatiges Sportprogramm die Epigenetik von Fettzellen grundlegend umbaut. Die Schweden verordneten 23 unsportlichen Männern ein sechsmonatiges Trainingsprogramm. Dann verglichen sie epigenetische Schalter in Fettzellen, die vor und nach dem Zeitraum entnommen worden waren. Ein Unterschied fand sich an 7.663 Genen, darunter 18, deren Aktivität bekanntermaßen das Übergewichtsrisiko beeinflusst und 21, die schon länger mit Typ-​2-Diabetes in Verbindung gebracht werden.

Die eleganteste und inzwischen auch bekannteste aller Untersuchungen dieser Art ist aber jene von Maléne Lindholm und Kolleg*innen. Wie die neueste Studie wurde auch sie am Stockholmer Karolinska-​Institut durchgeführt. Eine Hauptrolle spielen hier ein paar eigenartige Trainingsfahrräder. Erneut waren es 23 untrainierte Probanden, dieses Mal aber junge Frauen und Männer, die ganz im Dienst der Wissenschaft auf diesen Ergometern drei Monate lang ihre Beinmuskulatur stärkten. Das Besondere: Die Geräte hatten nur eine Kurbel. Die angehenden Sportler*innen, die immerhin vier Mal pro Woche eine Dreiviertelstunde auf den Ergometern schwitzten, radelten einbeinig. Welches Bein sie trainierten, war zuvor ausgelost worden. Das andere blieb ungeübt.

Das Training blieb natürlich nicht ohne Effekt. Die Muskulatur am trainierten Bein veränderte sich rein äußerlich, und auch der Stoffwechsel von Zellen an diesem Bein stellte sich um. Verantwortlich waren auch hier epigenetische Strukturen, die für neue Genaktivierbarkeitsmuster in den Zellen sorgten. Das heißt, der Satz an Genen, der den Zellen zur Verfügung stand, hatte sich gewandelt. Dadurch verwandelten sich sozusagen einst schlappe, untrainierte Muskelfasern in Kraft und Energie strotzende, effizient arbeitende Bündel, wie man sie von umfassend trainierten Athleten kennt. 

Hintergrund-Info Epigenetik: Die Epigenetik erforscht Strukturen auf- oder neben den Genen, die Zellen weitervererben, ohne dass sich der Text des Erbgutmoleküls DNA selbst wandelt. Die bekannteste epigenetische Struktur sind an die DNA angelagerte Methylgruppen, CH-3 (siehe die abgebildete Grafik). Mit Hilfe dieser DNA-Methylierung wird in aller Regel das Ablesen eines Gens erschwert oder verhindert. Als zweites wichtiges epigenetisches System gilt der so genannte Histon-Code: Dabei verändert die Zelle durch viele verschiedene Arten von Anhängseln die Struktur der Histonproteine. Um diese Proteine ist die DNA in regelmäßigen Abständen aufgewickelt. Ändern sie ihre Eigenschaften, ändert sich auch die Fähigkeit der Zelle, die benachbarten Gene zu aktivieren. Epigenetische Strukturen sind also wie Schalter oder Dimmer, die Teile des Erbguts aktivierbarer machen und andere mehr oder weniger ruhig stellen. Sie helfen Organismen, vergleichsweise kurzfristig mit bleibenden Veränderungen auf neue Anforderungen aus der Umwelt und des Lebensstils - Ernährung, Stress, Bewegung, soziale Kontakte - zu reagieren.

Ein klassisches Experiment der Epigenetik zeigt, wie wichtig Umwelteinflüsse für die Prägung der Genregulation sein können: Mäuse mit einer Genvariante namens yellow agouti werden übergewichtig und haben ein gelbes Fell (linke Maus). Ist das Gen epigenetisch stumm geschaltet, werden die Mäuse schlank und braun. Hier sind zwei genetisch gleiche Mäuse gezeigt, die von unterschiedlichen Müttern ausgetragen wurden. Die Mutter der rechten Maus erhielt eine ausgewogene Ernährung, so dass genügend Enzyme vorhanden waren, die das yellow agouti-Gen bei ihr stumm schalteten.