Wie Proteine ​​würfeln, um das Geschlecht der Biene zu bestimmen

Bisher war unklar, wie genau das Geschlecht einer Biene bestimmt wird. Ein Forscherteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) aus Biologen und Chemikern hat nun ein Schlüsselgen und den damit verbundenen molekularen Mechanismus identifiziert. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte, Sie beschreiben wie dieser Vorgang einem Spiel mit zwei Würfeln ähnelt.

Das Geschlecht eines Lebewesens hat erhebliche Auswirkungen auf seine Form, Funktion und sein Verhalten. Das biologische Geschlecht eines Organismus wird üblicherweise zu Beginn seines Lebens bestimmt. Beim Menschen beispielsweise entscheidet das Vorhandensein des geschlechtsbestimmenden „Y-Chromosoms“ darüber, ob ein Mann geboren wird.

Der schlesische Priester Johann Dzierzon untersuchte bereits 1845 die geschlechtsbestimmenden Mechanismen der Honigbiene (Apis mellifera). Er entdeckte unter anderem die ungeschlechtliche Fortpflanzung männlicher Bienen – der „Drohnen“.

Bienen haben – anders als Menschen – nicht nur ein geschlechtsbestimmendes Chromosom. Ein Forscherteam um Professor Dr. Martin Beye vom Institut für Evolutionäre Genetik der HHU hat nun herausgefunden, dass das Geschlecht über einen speziellen Mechanismus von einem einzigen Gen, dem sogenannten „Csd“ (Complementary Sex Determinator), bestimmt wird.

Dieses Gen kann mehr als 100 Variationen, sogenannte Allele, aufweisen. In anderen Fällen, beispielsweise bei Blumen, können die verschiedenen Allele eines Gens die Blütenblattfarbe bestimmen.

Bei der sexuellen Befruchtung fügen sich die einfachen Chromosomensätze aus Ei- und Samenzelle zu einem doppelten – diploiden – Chromosomensatz zusammen. Demnach sind nun in jeder sexuell befruchteten Biene zwei Csd-Genvarianten vorhanden.

Die nächste Erkenntnis der Düsseldorfer Bienenforscher: Wo die beiden Allele des Csd-Gens unterschiedlich sind, entwickelt sich eine weibliche Biene. Sind hingegen die Allele des Gens auf beiden Chromosomen gleich, entwickelt sich eine männliche Biene. Da die Bienen dies jedoch verhindern wollen, um Inzucht zu vermeiden, verzichten die Arbeitsbienen auf die Aufzucht dieser Eier.

Es blieb die Frage, wie diese Geschlechtsbestimmung auf molekularer Ebene erfolgt. Erstautorin Dr. Marianne Otte erklärt: „Hier muss man wissen, dass jedes unterschiedliche Allel des Csd-Gens eine andere Variante des zugehörigen Csd-Proteins produziert, die sich alle leicht unterscheiden. Wir konnten zeigen, dass das nur unterschiedliche Csd-Proteine ​​können.“ binden sich aneinander und aktivieren so einen molekularen Schalter, der die „weibliche Biene“ bestimmt. Sind die Proteine ​​hingegen gleich, binden sie unterschiedlich und der Schalter wird nicht aktiviert. In diesem Fall würde sich eine männliche Biene entwickeln, diese wird aber nicht großgezogen.“

Professor Beye, Letztautor der Studie, fügt hinzu: „Es ähnelt einem molekularen Spiel mit zwei Würfeln: Allerdings ist in diesem Fall nicht der Wurf, der ein Doppel ergibt, der Gewinner. Stattdessen muss der Wurf zwei verschiedene Zahlen ergeben.“ ermöglichen die Aufzucht einer neuen Biene – eines Weibchens.“

Die Drohnen hingegen entwickeln sich aus unbefruchteten Eiern. Demnach verfügen diese männlichen Bienen nur über einen einfachen Chromosomensatz mit identischen Csd-Proteinen. Die Bienenkönigin beschließt, während des Legevorgangs kein Sperma in die Eizelle zu geben.

Dr. Otte sagt: „Wir konnten ein seit mehr als 100 Jahren bestehendes genetisches Rätsel lösen, indem wir es auf die Schalterfunktion des Csd-Proteins zurückführen.“

Professor Beye kommentiert weitere Forschungsfragen: „Der Mechanismus, mit dem die Arbeitsbienen erkennen, ob die befruchtete Eizelle zwei verschiedene Csd-Proteine ​​enthält und somit auf ‚weiblich‘ umgestellt wird, ist noch unbekannt. Da es im Bienenstock dunkel ist, muss es eine geben.“ olfaktorischer Hinweis.

Die Ergebnisse werden zur Weiterentwicklung von Bienenzuchtmaßnahmen genutzt.