Anpassung der DNA je nach Rolle

Wenn eine Biene ihre Rolle im Stock wechselt, passt sich ihre DNA an

Bienen übernehmen innerhalb des Stocks jeweils eine klar definierte, jedoch veränderliche Rolle. Ältere Individuen können bei Bedarf Aufgaben übernehmen, die normalerweise von jüngeren Bienen ausgeführt werden. Bislang unbekannt war, dass dieser Verhaltenswechsel mit Anpassungen auf Ebene der DNA einhergeht. Jede Rolle weist tatsächlich ein eigenes Methylierungsmuster auf.

Das Schicksal der Bienen innerhalb ihres Volkes wird bereits in sehr frühem Alter festgelegt. Die im Larvenstadium erhaltene Nahrung bestimmt nämlich irreversibel die Rolle, die sie im Stock einnehmen werden: Königin oder Arbeiterin. Jedes Individuum entwickelt daraufhin körperliche und verhaltensbezogene Merkmale, die seinem Status entsprechen. Ihre Genome sind dennoch strikt identisch.

Die Umwelt und die individuellen Erfahrungen jedes Organismus können die Genexpression beeinflussen, insbesondere durch das Anfügen von Methylgruppen (CH3) an bestimmte Nukleotide (die Grundbausteine der DNA). Eine geringe Methylierung begünstigt die Transkription der genetischen Information, während bei starker Methylierung die Expression des betroffenen Gens eher gehemmt wird. Das Epigenom beschreibt somit das durch Methylierungen modifizierte Genom jeder Zelle. Bislang galt dieses bei Bienen nach dem Erwerb neuer Merkmale als irreversibel.

Neuere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Annahme falsch ist. Die Methylgruppen, die sich im Laufe des Lebens an die DNA der Arbeiterinnen anlagern, könnten tatsächlich wieder verschoben werden. Entscheidend wäre das Verhalten, das diese Bestäuberinsekten in einem bestimmten Alter annehmen. Diese Erkenntnisse wurden in Nature Neuroscience von Brian Herb von der Johns Hopkins University School of Medicine (JHU Medicine; USA) veröffentlicht.

Jede von einer Biene ausgeübte Rolle hinterlässt Spuren auf ihrer DNA

Arbeiterinnen von Apis mellifera übernehmen im Laufe ihres Lebens unterschiedliche Aufgaben. Ab dem 6. Tag nach dem Schlupf fungieren sie als Ammenbienen. Sie versorgen die Larven mit Sekreten, die von ihren Hypopharynx- und Mandibeldrüsen produziert werden. Im Alter von etwa 21 Tagen und nach der Erfüllung weiterer Aufgaben werden sie zu Sammelbienen. Ihre Aufgabe besteht dann darin, den Stock zu verlassen, um Pollen zu sammeln, einen für das Überleben des Volkes essenziellen Nährstoff. All diese Veränderungen hinterlassen nachweisbare Spuren in ihrer DNA. Diese beiden Typen von Arbeiterinnen weisen somit unterschiedliche Methylierungsmuster auf.

Um die Reversibilität genetischer Anpassungen zu testen, wurden während der Abwesenheit der Sammelbienen sämtliche Ammenbienen aus zwei Völkern (6.000 bis 7.000 Bienen pro Einheit) entnommen. Nach der Rückkehr der Sammelbienen wandelte sich die Hälfte von ihnen zu Ammenbienen, um die fehlenden Individuen zu ersetzen. Auch sie wurden anschließend beprobt. Ihr Epigenom wurde mittels Bisulfit-Sequenzierung (WGBS) analysiert, wobei die Methylierungen mit einer Technik namens comprehensive high-throughput array-based relative methylation (CHARM) untersucht wurden.

Die gewonnenen Ergebnisse wurden mit Daten von Sammelbienen und jungen, für die Brutpflege zuständigen Arbeiterinnen verglichen. Das Resultat ist eindeutig: Die umgewandelten Ammenbienen wiesen dieselben Methylierungsmuster auf wie junge Arbeiterinnen. Zudem entsprachen die Gene, die Methylgruppen verloren hatten, genau jenen, die sich im Verlauf des Bienenlebens angepasst hatten. Das Verhalten dieser Insekten ist somit reversibel, ebenso wie die an ihrer DNA vorgenommenen Anpassungen.

Nach Aussage einer der Mitautorinnen der Studie, Gro Amdam von der Arizona State University, könnte das Gehirn der Bienen über „epigenetische Fahrpläne“ verfügen, die jeweils einer bestimmten Rolle der Arbeiterinnen entsprechen. Ein Verhaltenswechsel würde demnach einen Wechsel dieser Programme auslösen und eine erneute Anpassung des Organismus an die zu erfüllende Aufgabe bewirken.

Quelle: www.futura-sciences.com