Ameisen umprogrammiert: Wie aus Soldatinnen Sammlerinnen werden

Philadelphia (USA) - Die Arbeiterinnen einer Ameisenkolonie sind genetisch nahezu identisch. Trotzdem können sie sich in Körpergröße und Verhalten stark voneinander unterscheiden. Das beruht auf sogenannten epigenetischen Merkmalen – chemischen Veränderungen von Proteinen in den Chromosomen. Die entscheiden darüber, ob bestimmte Gene aktiv oder dauerhaft abgeschaltet sind. Amerikanischen Biologen ist es jetzt gelungen, durch verfütterte oder injizierte Wirkstoffe epigenetische Veränderungen zu verstärken oder rückgängig zu machen, die die Aktivität der Futtersuche bei Ameisen beeinflussen. Selbst das Verhalten von Soldatinnen, die normalerweise nie auf Futtersuche gehen, konnte auf diese Weise umprogrammiert werden, berichten die Forscher im Fachjournal „Science“. Epigenetische Merkmale sind nicht nur für staatenbildende Insekten von großer Bedeutung, sondern könnten auch bei Lernprozessen und dem Sozialverhalten von Säugetieren eine bisher unterschätzte Rolle spielen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Verhaltensmerkmale der Ameisen – und wahrscheinlich auch anderer Tiere – durch epigenetische Prozesse über chemische Veränderungen von Histonen geformt und reguliert werden könnten“, sagt Daniel Simola aus dem Labor von Shelley Berger von der University of Pennsylvania in Philadelphia. Histone sind Proteine, die eng mit der DNA in den Chromosomen verbunden sind. Die enzymgesteuerte Übertragung von Acetylgruppen auf Histone (Acetylierung) verändert die lokale DNA-Struktur und damit die Aktivität benachbarter Gene. Je nach Ausmaß der natürlichen Acetylierung entwickeln sich bei der Ameisenart Camponotus floridanus in jeder Kolonie zwei unterschiedlich große Typen von Arbeiterinnen: Die einen dienen als Soldatinnen dem Schutz der Kolonie, während ihre nur halb so großen Schwestern auf Nahrungssuche gehen. Nur bei den Sammlerinnen ist das Histon H3 acetyliert, wodurch spezielle Gene stark aktiviert werden, die beispielsweise für die Orientierung wichtig sind. Bei den kräftiger gebauten Soldatinnen sorgen andere Gene für die nötige Körpergröße und Muskelkraft – Hirnleistungen sind weniger gefragt. Diese unterschiedliche Programmierung der Arbeiterinnen ermöglicht eine für den Insektenstaat sehr vorteilhafte Arbeitsteilung.

Die Forscher versetzten nun das Futter der Ameisen mit einem Wirkstoff, der die Acetylierung des Histons entweder verstärkte oder verringerte. Das intensivierte oder schwächte bei den kleinen Arbeiterinnen die Aktivität der Futtersuche. Dagegen veränderte sich das Verhalten der Soldatinnen nicht. Wurde jedoch eine die Acetylierung fördernde Substanz direkt in das Gehirn von jungen Soldatinnen injiziert, gingen diese Ameisen auch auf Nahrungssuche. Ihre Verhaltensänderung hielt mindestens 50 Tage an. Eine solche Umprogrammierung gelang jedoch nur kurz nach dem Schlüpfen aus der Puppe – später nicht mehr. Offenbar gibt es nur ein enges Zeitfenster, in dem epigenetische Veränderungen noch möglich sind. Die an diesen Prozessen beteiligten Gene und Enzyme findet man in ähnlicher Form auch bei Säugetieren. Sie könnten generell für Lernprozesse und soziales Verhalten eine wichtige Funktion haben, vermuten die Forscher. Möglicherweise seien Verhaltensstörungen und bestimmte Krankheiten auf fehlerhafte epigenetische Merkmale zurückzuführen und prinzipiell durch Medikamente zu behandeln.