Forskere ved Universitetet for miljø- og biovitenskap, Arizona State University og Johns Hopkins University har funnet det en tror er det første beviset på at komplekse, reversible adferdmønstre hos bier er knyttet til fleksible, kjemiske genmerker på DNA i hjernen.

Det handler altså om kjemiske koder på DNA (epigenetiske merker) som er med på å fortelle hjernecellene hva de skal gjøre. Forskerne har funnet egne hjernemerker for adferd: om biene er ammer eller matsankere (trekkbier).

Merkene veksler mellom to kodesett når bien hopper fram og tilbake mellom oppgavene. Vekslingen betyr at kodingen er fleksibel. Det har aldri blitt vist tidligere at slike fleksible koder i hjernen kan være ansvarlig for adferdsforandringer.

Funnene forteller antagelig om prosesser som skjer i menneskehjernen også, men som er uoppdaget så langt. Biekodene berører gener som bygger avanserte proteinmaskiner. Disse arbeider i hjernecellenes kjerner der de styrer hvordan DNA-strengen spilles av.

Det mest oppsiktsvekkende med studien er at det er første gang slike DNA metyleringsmerker knyttes til adferdsmønster for en hel organisme. I tillegg er dyras oppførsel og molekylære endringer reversible, noe som kan ha stor betydning for anvendelse innen human helse.

”Omskoleres” til ammebier

Ifølge lederne for de respektive forskerteamene, Gro Amdam og Andy Feinberg har DNA-metylering lenge vist seg å spille en viktig rolle i regulering av gener, for eksempel i forbindelse med rollefordeling i stamceller eller utvikling av kreftceller.

For å undersøke hvordan slik ”epigenetikk” kan påvirke adferd valgte de et kjent modelldyr for dyreadferd, bier.

Forskerne fant signifikante forskjeller i DNA-metyleringsmønstre hos søsterbier med tilnærmet identiske genetiske sekvenser, som samtidig viste store forskjeller i oppførsel.

Ved hjelp av en metode som analyserer hele genomet samtidig (kalt CHARM), sammenlignet de plassering av metyleringsmerker i hjernene til arbeiderbier med to ulike ”yrker” og adferd.

Alle arbeiderbier er jenter, og innen en gitt bikube, søstre. Imidlertid har de ikke de samme oppgavene i kuben; noen er ammer, mens andre er trekkbier. Ammer er normalt yngre og holder seg i kuben for å ta vare på dronningen og larvene hennes.

Etter hvert som ammene modnes utvikles de til trekkbier som forlater kuben for å samle pollen, nektar og annet som bikuben trenger.

For å eliminere muligheten for at eventuelle forskjeller kunne forklares med ulik biealder, klekket Amdam og Feinberg ut et forsøk med bikuber befolket av jevnaldrende bier.

– Når nye jevnaldrende bier settes sammen i en kube, fordeler de arbeidsoppgavene seg i mellom slik at riktig andel blir henholdsvis ammer og trekkbier, forklarer Amdam.

– Det er disse to gruppene som ble testet videre etter omhyggelig karakterisering av hver bie med sitt “yrke” eller adferdskategori.

Musikalsk merking

Gjennom analyse av metyleringsmønstre i hjernene til 21 ammer og 21 trekkbier fant teamet 155 regioner av DNA som hadde ulike mønstre av merker; altså 155 regioner som endres når ammer utvikler seg til trekkbier.

Genene assosiert med metyleringsforskjellene var for det meste regulatoriske gener, som er kjent for å påvirke status til andre gener.

– Metyleringsmerker er som fingre som spiller piano, sier Amdam.

– Pianoet er DNA-strengen, og ammer og trekkbier er to forskjellige melodier.

Så snart forskerne kunne konstatere at disse forskjellene fantes, kunne de gå videre for å undersøke om merkene var permanente.

– Vi har sett at når det er for få ammer tilstede i bikuben, kan trekkbiene ta ammenes plass og vende tilbake til sine tidligere arbeidsoppgaver.

Med dette som utgangspunkt ønsket forskerne å undersøke hvorvidt trekkbiene opprettholdt metyleringsmerkene når de blir tvunget til å oppføre seg som ammer. Alle ammer ble derfor fjernet fra bikuben og forskerne ventet i ti døgn for å gjenopprette balansen i kuben.

Deretter kikket forskerne på ny etter forskjeller i metyleringsmønstre, nå mellom trekkbier som forble trekkbier og de som gikk tilbake til amming. Denne gangen viste 107 DNA-regioner forskjell i merking mellom trekkbiene og de reverserte ammene.

57 av disse 107 regionene var identifisert blant de 155 regionene som endres når ammer utvikler seg til trekkbier.

– De 57 regionene er trolig sentrale for forskjellene mellom ammer og trekkbier, sier Amdam.

– Det er som et av disse bildene som kan forestille to ulike motiver avhengig av synsvinkelen og hvem som ser, forklarer hun.

Biegenomet inneholder bilder av både ammer og trekkbier, og merkene på DNAet gir hjernen informasjonen den trenger for at den riktige oppførselen kommer fram og definerer biens rolle.

Endring av menneskelig adferd?

Forskerne håper at resultatene kan bidra til å belyse komplekse adferdsmønster også hos mennesker, slik som læring, hukommelse, stressrespons og humørsvingninger, som alle involverer interaksjoner mellom genetiske og epigenetiske komponenter lignende de studien presenterer.

Den underliggende genetiske sekvensen i mennesket påvirkes av også epigenetiske merker, som igjen kan påvirkes av eksterne signaler og gi endringer i adferdsmønster som er stabile, men reversible.

Referanse:

Herb m.fl.: Reversible switching between epigenetic states in honeybee behavioral subcastes, Nature Neuroscience, 15, 1371–1373 (2012), doi:10.1038/nn.3218.