Epigenetisch reprogrammierte Ameisen

Rechts der große Soldat, links die Arbeiter-Ameise. Credit: The lab of Shelley Berger, PhD, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania

Große aggressive Soldaten neben kleinen emsigen Arbeitern – an der Gensequenz liegt dieser deutliche Unterschied zwischen den Kasten bei Ameisen nicht, denn die ist bei jedem Tier fast identisch. Wie Forscher nun durch Experimente belegen konnten, wird die Entwicklung hingegen von Schaltersystemen auf dem Erbgut gesteuert – durch sogenannte epigenetische Faktoren. Durch Wirkstoffe, die diese Prägung verändern, gelang es ihnen, die Krabbler umzuprogrammieren. Die Erkenntnisse bei Ameisen könnten auch für die Forschung am Menschen interessant sein, sagen die Forscher.

Die Merkmale von Lebewesen basieren nicht nur auf der genetischen Sequenz des Erbguts – das hat die Forschung der letzten Jahrzehnte immer deutlicher gezeigt. Welche Gene angeschaltet beziehungsweise wie stark aktiv sind, wird auch durch Regelelemente  beeinflusst, die im Laufe des Lebens entstehen, aber auch vererbt werden können. Mit diesen Mechanismen beschäftigt sich der noch relativ junge Forschungszweig der Epigenetik. Bei den epigenetischen Faktoren handelt es sich unter anderem um chemische Schalter-Moleküle, die auf bestimmten Abschnitten der DNA sitzen und ihre Zugänglichkeit für Ablesefunktionen beeinflussen. Dass dies stark die Eigenschaften von Lebewesen beeinflussen kann, haben bereits viele Studien gezeigt.

Modelltiere für die Epigenetik

Die Forscher von der University of Pennsylvania in Philadelphia gehen in diesem Zusammenhang der Frage nach, wie die Epigenetik die Entwicklung der unterschiedlichen Verhaltensweisen bei Ameisenkasten beeinflusst. Ihnen zufolge sind Ameisenvölker für die epigenetische Forschung besonders interessant, da ihre Mitglieder fast identisches Erbgut besitzen – ähnlich wie bei eineiigen Zwillingen. Die deutlichen Unterschiede zwischen den Kasten müssen demnach andere Ursachen haben. Frühere Ergebnisse der Forscher legten bereits nahe, dass die Kastenunterschiede tatsächlich epigenetische Ursachen haben. Bei den kleinen Arbeitern der Ameisenart Camponotus floridanus sind demnach Gene für bestimmte Botenstoffe im Gehirn deutlich stärker aktiv als bei ihren großen Soldaten-Kollegen. Dies scheint mit den typischen Verhaltensunterschieden verknüpft zu sein: Die Kleinen arbeiten als Kundschafter – schwärmen aus, um nach Nahrung zu suchen und rekrutieren bei Erfolg andere Ameisen zum Abtransport. Die mit großen Beißern bewährten Soldaten-Ameisen sind hingegen für den Schutz der Kolonie zuständig und verhalten sich entsprechend weniger emsig. Doch dies lässt sich offenbar ändern und zwar durch Substanzen, die epigenetische Regelelemente verändern können.

Soldaten verhalten sich wie Arbeiter

Es handelt sich dabei um Wirkstoffe, die in den epigenetischen Effekt der sogenannten Histon-Acetylierung des Erbguts eingreifen. Der Grad der Histon-Acetylierung bestimmt, wie stark Erbinformationen in einem bestimmten Bereich der DNA für Ablesefunktionen zugänglich sind. Als die Forscher Arbeitern der Armeisen einen Wirkstoff fütterten, der die Histon-Acetylierung des Erbguts erhöht, zeigten sie noch intensiveres Erkundungsverhalten. Bei einem Wirkstoff, der diesen epigenetischen Effekt hingegen verringert, sank die Abenteuerlust. Bei ausgewachsenen Soldaten zeigte diese Behandlung zunächst keine Wirkung. Doch das lag offenbar an der Entwicklungsphase: Nachdem die Wissenschaftler Jungtieren dieser Kaste die Histon-Acetylierung verstärkenden Wirkstoffe direkt ins Hirn injiziert hatten, zeigten auch die Soldaten Erkundungsverhalten ähnlich wie ihre Arbeiterkollegen. Sie ließen sich also umprogrammieren. Es scheint demnach ein Entwicklungsfenster zu geben, in dem epigenetische Einflüsse Effekte auslösen können. "Die Ergebnisse legen nahe, dass Verhaltensweisen bei Ameisen und wahrscheinlich auch bei anderen Tieren, durch epigenetische Faktoren gesteuert werden und zwar durch Histonmodifikationen", resümiert Co-Autor Daniel Simola.

Nicht nur Ameisenforschung!

Die Forscher betonen, dass es sich bei ihrer Arbeit nicht um reine Ameisenforschung handelt, denn die Grundprinzipien epigenetischer Regulation bei Ameisen und Säugetieren sind gleich. Damit sind diese Insekten ideale Modellorganismen für die Grundlagenforschung in diesem Bereich, sagen die Wissenschaftler. Das epigenetisch sensitive Entwicklungsfenster, das sie bei den Ameisen festgestellt haben, könnte in diesem Zusammenhang besonders interessant sein. "Vor dem Hintergrund wachsender Verbreitung von Verhaltensstörungen handelt es sich dabei um ein Thema von zunehmendem Forschungsinteresse beim Menschen", sagt Co-Autorin Shelley Berger. Die Forscher wollen sich deshalb nun gezielt der Erforschung des epigenetischen Fensters bei den Soldatenameisen widmen, um seine Merkmale genau zu klären. "Das Verständnis der Mechanismen, wann und wie dieses Fenster geöffnet wird, wie Änderungen aufrechterhalten werden und warum es sich schließt, könnte klären helfen, warum Menschen gegenüber Einflüssen in der frühen Lebensphase so empfindlich sind", so Berger.

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