Ein Protein, das Ameisen den Geruchssinn ermöglicht – und den Zelltod stoppt

Während der Geruchssinn bei den sozialen Interaktionen von Menschen eine erhebliche Rolle spielt – er signalisiert beispielsweise Angst oder erzeugt Nähe –, ist er für Ameisen lebenswichtig. Forscher der New York University und der University of Florida fanden heraus, dass ein Schlüsselprotein namens Orco, das für die Funktion der Riechzellen unerlässlich ist, auch bei Ameisen für das Überleben der Zellen entscheidend ist.

Ihre Studie zeigte, dass die Mutation des Orco-Gens bei Springameisen der Art Harpegnathos saltator die Anzahl der olfaktorischen Neuronen drastisch verringerte, was darauf schließen lässt, dass Orco für die Entwicklung und das Leben dieser Zellen notwendig ist. Die Ergebnisse, veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschrittebieten Einblicke in die zellulären und molekularen Grundlagen der Sozialisierung von Tieren.

„Das Verständnis der Entwicklung des Nervensystems gehört zu den dringendsten Herausforderungen der modernen Neurowissenschaft“, sagte Bogdan Sieriebriennikov, Postdoktorand am Institut für Biologie der New York University und Erstautor der Studie.

Geruchssinn und mutierte Ameisen

Ameisen haben dank der Kommunikation über Pheromone etwa 400 Geruchsrezeptoren entwickelt – eine Zahl, die der des Menschen näher kommt als die der meisten anderen Insekten.

„Ameisen sind, wie Menschen, sehr sozial und zeigen kooperatives Sozialverhalten und bieten daher ein ideales System zur Untersuchung sensorisch vermittelten Sozialverhaltens“, erklärte Hua Yan, Assistenzprofessor für Biologie an der University of Florida und leitender Autor der Studie.

„Erweiterte Geruchsrezeptorgene ermöglichen es Ameisen, in einer großen Gesellschaft mit Hunderten, Tausenden oder bis zu einer Million Individuen miteinander zu ‚sprechen‘.“

Auch für Menschen, die zur Kommunikation auf andere Sinne angewiesen sind, ist der Geruchssinn von entscheidender Bedeutung.

„Der Funktionsverlust der Geruchsrezeptorneuronen führt zu Defiziten bei der Geruchswahrnehmung und wird oft mit sozialer Isolation, neurologischen Störungen wie Schizophrenie und sozialen Störungen wie Autismus in Verbindung gebracht“, fügte Yan hinzu.

Um besser zu verstehen, wie der Geruchssinn von Ameisen ihre sozialen Interaktionen beeinflusst, haben Forscher der NYU zuvor die ersten gentechnisch veränderten Ameisen geschaffen, indem sie CRISPR zur Bearbeitung des Orco-Gens verwendeten. Diese „mutierten“ Ameisen, denen das Orco-Protein fehlte, zeigten Veränderungen an ihren Geruchsorganen und hatten Schwierigkeiten bei der Interaktion.

„Wir stellten fest, dass die Fühler – die „Nase“ der Ameise – nur sehr wenige Zellen hatten. Sie waren fast leer, was darauf schließen lässt, dass die Zellen, die den Geruchssinn wahrnehmen, bei den mutierten Ameisen fehlten“, sagte Yan.

Überleben der Neuronen hängt von Orco ab

In ihrer neuen Studie verwendeten die Forscher Einzelkern-Genexpressionsprofile von Ameisenantennen und Fluoreszenzmikroskopie, um die Entwicklung der Riechzellen zu analysieren. Es stellte sich heraus, dass mutierte Insekten ohne Orco die meisten ihrer Riechneuronen vor dem Erwachsenenalter verlieren.

„Die Zellen scheinen normal zu entstehen und beginnen sich zu entwickeln – sie wachsen, verändern ihre Form und aktivieren bestimmte Gene, die sie später brauchen werden, wie etwa Geruchsrezeptoren“, bemerkte Sieriebriennikov. „Sobald die sich entwickelnden Zellen die Geruchsrezeptoren aktivieren, beginnen sie sehr bald massenhaft abzusterben.“

Dieser neuronale Tod könnte auf Stress zurückzuführen sein. Da die Geruchsrezeptoren der mutierten Ameisen keinen Komplex mit Orco bilden können, um zur Zellmembran zu gelangen, verstopfen die neu gebildeten Rezeptoren die Organellen, was zu Stress und Tod führt.

Ein solcher Nervenzelltod kann auch Muster aufweisen, die für soziale Insekten spezifisch sind. „Bisher wurden diese einzigartigen Prozesse bei solitären Insekten nicht gefunden und könnten wichtige Beweise für die Evolution der Nervenzellentwicklung liefern, um sich an die Erweiterung von Geruchsrezeptorgenen anzupassen“, sagte Kayli Sieber, Doktorandin an der University of Florida und Co-Erstautorin der Studie.

Interessanterweise überlebten einige Geruchsrezeptoren auch ohne Orco. Die Zellen, in denen sie vorhanden waren, exprimierten auch andere Arten von Rezeptoren, was darauf schließen lässt, dass die von ihnen vermittelte Aktivität für die neuronale Entwicklung wesentlich ist.

„Einige Neuronen müssen regelmäßig ‚feuern‘, um sich richtig zu entwickeln. Ohne Orco würden die Geruchszellen nicht ‚feuern‘ und ihre Entwicklung nicht abschließen, was zu ihrem Tod führen würde“, sagte Sieriebriennikov.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass einige Geruchsrezeptoren auch in Zellen ohne Geruchssinn vorhanden sind, wie etwa mechanosensorische Neuronen, die Bewegungen wahrnehmen, und Gliazellen, die sich um Neuronen wickeln und ihnen bei ihrer Funktion helfen. Dies kann auf eine fehlerhafte Genregulierung zurückzuführen sein, die dazu führt, dass Geruchsrezeptoren versehentlich von nahe gelegenen Genomregionen aktiviert werden, die normalerweise andere Gene in anderen Zellen regulieren.

Alternativ könnten die Rezeptoren in diesen Zellen eine neue Funktion haben, ähnlich den Geruchsrezeptoren, die in der Glia des Wurms C. elegans oder in menschlichen Spermien gefunden werden.

„Das Aktivieren von Geruchsrezeptor-Genen in Zellen, die keinen Geruchssinn haben, könnte für den Organismus völlig nutzlos sein. Andererseits neigt die Evolution dazu, solche Fehler auszunutzen, um bestehenden Genen neue Funktionen zu geben. Vielleicht werden wir also in Zukunft noch eine spannende neue Funktion der Geruchsrezeptoren in Zellen ohne Geruchssinn entdecken“, bemerkt Sieriebriennikov.

„Unsere Erkenntnisse erweitern unser Verständnis der Sinnessysteme sozialer Insekten, einschließlich der Entwicklung der olfaktorischen Nervenzellen, die einen Rahmen für die soziale Kommunikation bildet“, sagte Yan.

Zu den weiteren Studienautoren gehören Olena Kolumba, Jakub Mlejnek und Shadi Jafari.