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28.05.09 Epigenetische Vererbung beim Kohlspanner-Falter nachgewiesen

Weitere Anzeichen für Epigenetische Vererbung bei Insekten

Kohlspanner geben Immunreaktionen gegen mögliche Erreger an die nächste Generation weiter

Das Immunsystem von Insekten bildet im Gegensatz zu Säugetieren keine Antikörper, die gezielt gegen Eindringlinge vorgehen. Ihre Abwehrreaktionen beruhen auf Proteinen und Enzymen, die Pilze und Bakterien in Schach halten. Sobald fremde Erreger auftreten, wird das Immunsystem von Raupen in einen Alarmzustand versetzt: Gene werden angeschaltet und Abwehrstoffe aktiviert, um den Fremdling zu attackieren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie haben nun herausgefunden, dass Kohlspanner-Weibchen diesen Alarmzustand an ihre noch ungeborenen Nachkommen weitergeben. Kaum aus dem Ei geschlüpft, kann sich der Nachwuchs somit gegen Krankheitserreger wehren.

Abb. 1: Raupe des Kohlspanners
Quelle: MPI für chemische Ökologie, Heiko Vogel

Organismen werden ständig von Tausenden von Bakterien, darunter auch gefährlichen Krankheitskeimen bedroht - trotzdem sind Krankheit und Siechtum die Ausnahme, der Großteil der Lebewesen erfreut sich bester Gesundheit. Um diesen ökologischen Aspekt der Immunologie zu studieren, sind Insekten geeignete Modellorganismen. Sie sind leichter zu handhaben als Wirbeltiere und weisen meist dieselben Immunantworten auf. Ihre humoralen Abwehrreaktionen, die vor allem Pilze und Bakterien in Schach halten, basieren auf antipathogenen Proteinen und Enzymen, die vor allem in der Leibeshöhlenflüssigkeit (Hämolymphe) der Insekten gebildet werden.

Dalial Freitak vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena hatte beobachtet, dass die Zusammensetzung der Nahrung die Abwehrreaktionen der Insekten deutlich beeinflusste. Sie fütterte Raupen des Kohlspanners mit unterschiedlicher Kost: einmal wurde die Nahrung mit Bakterien angereichert, im anderen Fall handelte es sich um eine künstliche, sterilisierte Diät. "Interessanterweise reicherten jene Raupen, die bakteriell durchsetzte Nahrung bekamen, in ihrer Hämolymphe eine ganze Reihe von antimikrobiellen Proteinen an", beschreibt Freitak ihre Beobachtungen.

Wie aber kommt es zu derartigen Veränderungen? Der Bauplan für Proteine ist im Genom gespeichert, "die mit Bakterien infizierte Nahrung müsste also das Ablesen bestimmter Gene und die Herstellung der entsprechenden Proteine - also die Genexpression - in den Raupen beeinflussen", so die aus Estland stammende Biologin. Tatsächlich fand die junge Doktorandin, dass eine Reihe von Immungenen offenbar auf die bakteriell durchsetzte Nahrung angesprochen hatten: die Produktion von Gloverin, HDD1 und Hämolin war in diesen Raupen hochreguliert; jedoch nicht in jenen, die steril ernährt worden waren. Auch einige Enzymaktivitäten waren in den "immunisierten" Raupen verstärkt, und der Gehalt bestimmter Gen-Transkripte hatte sich ebenfalls deutlich verändert. "Eine interessante Frage für uns war, ob eine solche von außen ausgelöste Immunität an nachfolgende Generationen weitergegeben werden kann", sagt Heiko Vogel, der Leiter der Studie.

Die Max-Planck-Forscher konnten Unterschiede im Genexpressionsmuster nachweisen zwischen jenen Raupen, die aus Eiern von mit Bakterien gefütterten Faltern stammten, und jenen, die aus Eiern von steril ernährten Faltern geschlüpft waren. "Trans-generational priming" nennen die Wissenschaftler dieses Phänomen. Verändert wird dabei nicht nur die Genaktivität, sondern auch Proteinbestand und Enzymreaktionen. "Der Umfang und die Art der Veränderungen in den Nachkommen sind überraschend und darüber hinaus auch sehr komplex", sagt Vogel. Alle Theorien zum trans-generational priming gehen von einem positiven Effekt auf die nachfolgende Generation aus, "unsere Experimente haben aber gezeigt, dass der Zustand der Eltern-Generation nicht 1:1 weitergegeben wird. Es besteht daher auch die Möglichkeit eines negativen Effektes auf die Nachkommen", so der Studienleiter.

Die nächste Frage ist, wie die Signale übertragen werden. David Heckel, Direktor der Abteilung Entomologie, ergänzt: "Wir wissen bisher nicht, wie der Transfer auf die nächste Generation funktioniert." Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, wie beispielsweise die Übertragung mütterlicher Proteine oder RNA in das Zytoplasma der Eizelle. Auch Änderungen im Methylierungsmuster der DNA, über die das Ablesen von Genen beeinflusst werden kann, sind denkbar. "Damit betreten wir ein sehr modernes Gebiet der Genomforschung, die sogenannte ‚Epigenetik’", stellt Heckel fest. Die Forscher werden nun beginnen, den Übertragungsmechanismus zu entschlüsseln - und hoffen auf spannende neue Einsichten.

Diskussion

Epigenetische Vererbung ist ein spannendes Feld aktueller biologischer Forschung, wie auch Arbeiten von der ETH Zürich zeigen (siehe: Die DNA ist nicht alles). Denn DNA alleine bestimmt nicht alle Merkmale und Funktionen einer Zelle, sondern die gerade exprimierten Proteine. Welche Informationen von der DNA abgelesen werden, wird in einem Zusammenspiel von unterschiedlichen Proteinen geregelt, deren Funktion der Mensch bei weiten nicht ausreichend kennt. Inwieweit Epigenetik und insbesondere Epigenetische Vererbung beim Menschen Aussehen, Charakter und viele weiteren Eigenschaften bestimmen, wird zu kontroversen Diskussionen führen. Das Fazit ist aber klar: Genomik ist das eine, aber nur durch weitere Omics wie Proteomics erschliessen sich alle Rätsel um die DNA und die von ihr abgelesenen Proteine und deren Funktion.

Quelle:

Dietary-dependent trans-generational immune priming in an insect herbivore
D. Freitak, et. al., Proceedings of the Royal Society B 2009, DOI: 10.1098/rspb.2009.0323

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Epigenetische Vererbung beim Kohlspanner-Falter nachgewiesen
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2009mai/kohlspanner.shtm)

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