Veränderungen in der Ernährung während der frühen Entwicklungsphase von Honigbienenlarven führen zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften der ausgewachsenen Honigbiene. Entweder werden sie eine Arbeiterin oder eine Königin. Warum das so ist, haben australische und britische Wissenschaftler herausgefunden.

Königinnen- und Arbeiterinnen bei Honigbienen sind genetisch annähernd identisch, werden aber als Larven unterschiedlich gefüttert. Die Forscher haben herausgefunden, dass spezifische Proteinmuster auf ihrem Genom eine wichtige Rolle dabei spielen, wie sie sich entwickeln.

Diese Proteine werden als Histone bezeichnet und sie fungieren als Schalter, die darüber bestimmen, wie sich die Larven entwickeln. Die Ernährung bestimmt, welche Schalter aktiviert werden. Königinnen entwickeln sich schneller und bei ihrem Entwicklungsweg handelt es sich um das Standard-Entwicklungsprogramm. Arbeiterinnen sind insofern die Ausnahme.

Die Veränderung zur Arbeiterin wird durch Epigenetik verursacht – Instruktionen, die nicht unmittelbar durch genetischen Informationen vorherbestimmt sind. In ihnen ist das Programm von Ereignissen kodiert, das zu differentieller Genexpression von Arbeiterin- oder Königin-Entwicklung führt.

Die vorliegende Studie beschreibt die erste genomweite Übersicht von Histonmustern bei der Honigbiene und die erste bei einem Organismus des gleichen Geschlechts, das sich in der reproduktiven Arbeitsteilung unterscheidet.

„Die Fähigkeit einer einzelnen Larve, Arbeiterin oder Königin zu werden, hängt mit der Art und Weise zusammen, wie Gene als Reaktion auf die spezifische Ernährung ein- oder ausgeschaltet werden; das sorgt für solche unterschiedlichen Ergebnisse desselben Genoms“, erklärt Studienautor Dr. Paul Hurd von der Queen Mary Universität London. „Königinnen und Arbeiter haben spezifische Histonmuster, obwohl ihre DNA identisch ist. Diese Proteine kontrollieren sowohl strukturelle als auch funktionelle Aspekte des genetischen Materials des Organismus und besitzen die Fähigkeit, darüber zu bestimmen, welcher Teil des Genoms wann aktiviert werden muss, um sowohl auf innere als auch auf äußere Reize zu reagieren.“

Histone haben kleine chemische Markierungen oder epigenetische Modifikationen, die es ihnen erlauben, sich anders zu verhalten, normalerweise über den Zugang zu DNA und Genen. So kann sich die identische DNA auf unterschiedliche Weise verhalten, da sie von Histonen mit unterschiedlichen chemischen (epigenetischen) Markern umgeben ist.

Ryszard Maleszka von der Australian National Universität fügt hinzu: „Das Ausmaß der Histonmodifikationen, die in dieser Studie aufgedeckt wurden, war bemerkenswert und übertraf unsere Erwartungen. Wir konnten feststellen, wo die wichtigen Unterschiede in den Genomen von Arbeiterin und Königin liegen.“

Genom-Handbuch

Eine epigenetische Information kann durch Umweltfaktoren verändert werden, auch durch die Nahrungsaufnahme. Im Fall der Honigbiene werden die Königin-Larven mit Gelée Royale gefüttert, einer potenten Substanz, die Entwicklungsanweisungen ändern kann.

„Man muss sich das Genom als Lehrbuch für alles vorstellen, was möglich ist, aber die Epigenetik ist die Art und Weise, wie diese Anweisungen gelesen werden. Bei der Epigenetik geht es um Interpretation und natürlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, diese Anweisungen zu interpretieren – abhängig vom Zeitfaktor und als Reaktion auf ein Ereignis“, so Paul Hurd.

Die Autoren fanden heraus, dass einige der wichtigsten epigenetischen Unterschiede in Regionen des Honigbienen-Genoms liegen, die nicht Teil von Genen sind. Zum ersten Mal wurden diese Kasten-spezifischen regulatorischen DNA-Regionen identifiziert, die für die Herstellung einer Königin oder einer Arbeiterin entscheidend sind.