Johns Hopkins-Forscher verknüpfen reversible „epigenetische“ Merkmale mit Verhaltensmustern.
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Johns Hopkins-Wissenschaftler berichten, dass dies der erste Beweis dafür ist, dass komplexe, reversible Verhaltensmuster bei Bienen - und vermutlich auch bei anderen Tieren - mit reversiblen chemischen Markierungen an Genen zusammenhängen.
Die Wissenschaftler sagen, dass das Wichtigste an der neuen Studie, die online am 16. September in Nature Neuroscience beschrieben wurde, darin besteht, dass das „Markieren“ der DNA-Methylierung zum ersten Mal mit etwas auf der Verhaltensebene eines ganzen Organismus in Verbindung gebracht wurde. Darüber hinaus seien das fragliche Verhalten und die entsprechenden molekularen Veränderungen reversibel, was wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit habe.
Laut Andy Feinberg, MD, MPH, Gilman-Gelehrter, Professor für Molekulare Medizin und Direktor des Zentrums für Epigenetik am Hopkins-Institut für biomedizinische Grundwissenschaften, spielt die Zugabe von DNA-Methylierung zu Genen seit langem eine wichtige Rolle bei der Regulation Genaktivität in sich verändernden biologischen Systemen, wie die Bestimmung des Schicksals in Stammzellen oder die Entstehung von Krebszellen. Neugierig, wie die Epigenetik zum Verhalten beitragen könnte, untersuchten er und sein Team ein bewährtes Modell für das Verhalten von Tieren: Bienen.
In Zusammenarbeit mit der Bienenexpertin Gro Amdam, Ph.D., Associate Professor für Biowissenschaften an der Arizona State University und der Norwegian University of Life Sciences, fand das Epigenetik-Team von Feinberg signifikante Unterschiede in den DNA-Methylierungsmustern bei Bienen mit identischen genetischen Sequenzen, aber sehr unterschiedlichem Verhalten Muster.
Mit einer Methode, die es den Forschern ermöglicht, das gesamte Genom auf einmal zu analysieren, die als CHARM (Comprehensive High Throughput Arrays for Relative Methylation) bezeichnet wird, analysierte das Team die Position von DNA-Methylierungen im Gehirn von Arbeiterbienen zweier verschiedener „Berufe“ Arbeiterinnen sind weiblich und innerhalb eines bestimmten Bienenstocks alle genetisch identische Schwestern. Sie tun jedoch nicht alle dasselbe. eine Krankenschwester und etwas Futter.
Krankenschwestern sind in der Regel jünger und bleiben im Bienenstock, um sich um die Königin und ihre Larven zu kümmern. Wenn die Krankenschwestern reifen, werden sie zu Häckslern, die den Bienenstock verlassen, um Pollen und andere Vorräte für den Bienenstock zu sammeln. "Die Gene selbst wollten uns nicht sagen, was für die beiden Verhaltensweisen verantwortlich ist", sagt Feinberg. "Aber die Epigenetik - und wie sie Gene kontrolliert - könnte."
Feinberg und Amdam begannen ihr Experiment mit neuen Bienenstöcken, in denen gleichaltrige Bienen lebten. Dadurch wurde die Möglichkeit beseitigt, dass eventuelle Unterschiede auf Altersunterschiede zurückzuführen waren. „Wenn junge, altersentsprechende Bienen in einen neuen Bienenstock eintreten, teilen sie ihre Aufgaben so auf, dass das richtige Verhältnis zu Krankenschwestern und Häckslern wird“, erklärt Amdam. Es sind diese beiden Populationen, die getestet wurden, nachdem jede Biene sorgfältig charakterisiert und mit ihrer „professionellen“ oder Verhaltenskategorie gekennzeichnet wurde.
Bei der Analyse der DNA-Methylierungsmuster in den Gehirnen von 21 Krankenschwestern und 21 Futtersuchern wurden 155 DNA-Regionen mit unterschiedlichen Markierungsmustern bei den beiden Bienentypen gefunden. Die mit den Methylierungsunterschieden verbundenen Gene waren hauptsächlich regulatorische Gene, von denen bekannt ist, dass sie den Status anderer Gene beeinflussen. „Gensequenzen ohne diese Tags sind wie Straßen ohne Ampel - Stillstand“, sagt Feinberg.
Sobald sie wussten, dass Unterschiede bestehen, konnten sie den nächsten Schritt unternehmen, um festzustellen, ob sie dauerhaft waren. „Wenn es zu wenig Krankenschwestern gibt, können die Häcksler einspringen und ihre Plätze einnehmen und zu ihren früheren Praktiken zurückkehren“, sagt Amdam. Die Forscher nutzten diese Strategie, um herauszufinden, ob Bienenfutter ihre genetischen Markierungen beibehält, wenn sie gezwungen sind, sich wieder wie Krankenschwestern zu verhalten. Also entfernten sie alle Krankenschwestern aus ihren Bienenstöcken und warteten mehrere Wochen, bis der Bienenstock das Gleichgewicht wieder hergestellt hatte.
Nachdem dies geschehen war, suchte das Team erneut nach Unterschieden in den DNA-Methylierungsmustern, diesmal zwischen Häckslern, die Häcksler blieben, und Häckslern, die Krankenschwestern wurden. Einhundertsiebenundsiebzig DNA-Regionen zeigten unterschiedliche Tags zwischen den Futtersuchenden und den zurückgekehrten Krankenschwestern, was darauf hindeutet, dass die epigenetischen Merkmale nicht dauerhaft, sondern reversibel sind und mit dem Verhalten der Bienen und den Tatsachen des Lebens im Bienenstock zusammenhängen.
Feinberg stellte dramatisch fest, dass bereits mehr als die Hälfte dieser Regionen unter den 155 Regionen identifiziert wurde, die sich ändern, wenn Krankenschwestern zu Häckslern heranreifen. Diese 57 Regionen dürften die Ursache für die unterschiedlichen Verhaltensweisen von Krankenschwestern und Fahndern sein, sagt Amdam. "Es ist wie eines dieser Bilder, die je nach Blickwinkel zwei verschiedene Bilder darstellen", sagt sie. „Das Bienengenom enthält Bilder von Krankenschwestern und Häckslern. Die Tags auf der DNA geben dem Gehirn seine Koordinaten an, damit es weiß, welche Art von Verhalten projiziert werden soll. “
Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse Aufschluss über komplexe Verhaltensprobleme beim Menschen geben, wie z. B. Lern-, Gedächtnis-, Stressreaktions- und Stimmungsstörungen, bei denen alle Interaktionen zwischen genetischen und epigenetischen Komponenten auftreten, die denen der Studie ähneln. Die zugrunde liegende genetische Sequenz einer Person wird von epigenetischen Markierungen beeinflusst, die möglicherweise von externen Hinweisen beeinflusst werden, um sich auf eine Weise zu ändern, die stabile, aber reversible Verhaltensmuster erzeugt.
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