Tiere verhalten sich in vielfältiger Weise, um zu überleben und sich fortzupflanzen. Sie kommunizieren mit ihren Artgenossen, verteidigen ihr Revier und bemühen sich um einen geeigneten Sexualpartner. Doch was steuert eigentlich dieses komplexe soziale Verhalten? Woher weiß beispielsweise eine Honigbiene, wann sie in ihrem Leben damit beginnen soll, auf Nektarsuche zu gehen? Hier, dachten viele Forscher lange, dürften Gene am Werk sein.

Eine recht junge Wissenschaft, die Epigenetik, schickt sich in den letzten Jahren allerdings an, unsere Vorstellung davon zu revolutionieren, wie Gene und Umwelt zusammenhängen. Sie beschäftigt sich dabei mit der Vererbung von Zelleigenschaften, die nicht über die DNA-Sequenz auf Tochterzellen vererbt werden. Die DNA hat nämlich bei der Vererbung von Merkmalen keineswegs das letzte Wort, sonst könnten etwa eineiige Zwillinge mit identischem Erbgut nicht unterschiedlich aussehen.

Wie Epigenetiker belegen, sind Gene und soziales Verhalten enger miteinander verflochten als man bisher dachte. So lassen sich beispielsweise Gene durch soziale Signale an- oder abschalten. Mit Erkenntnissen wie dieser lässt sich auch so manches erstaunliche Verhalten in der Natur erklären.

Äußerst flexibel

Die Westlichen Honigbienen (Apis mellifera) wechseln im Laufe ihres kurzen Lebens ganz wie der moderne westliche Mensch flexibel ihren Job. Kümmern sich die Arbeiterinnen unter ihnen in den ersten Wochen ihres Erwachsenendaseins unter anderem um den Nachwuchs, ziehen sie in der verbleibenden Zeit ihres vier- bis sechswöchigen Lebens aus und sammeln Nektar und Pollen. Zwar ändert sich das Verhalten der Honigbienen nach einem festen Muster, der Zeitpunkt aber, wann dies geschieht, wechselt. Das Verhalten erweist sich somit als viel zu anpassungsfähig, um auf einem von Genen starr vorgegebenem Programm zu beruhen. Wie kommt es zustande?

Per Genumpolung zur Sammlerin
© John Severns
(Ausschnitt)
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Neue Technologien und die sequenzierten Genome einiger sozial lebender Tiere geben Aufschluss. Wie der Entomologe und Neurowissenschaftler Gene Robinson von der University of Illinois at Urbana-Champaign gemeinsam mit Kollegen 2008 zusammenfasste, kommen hier soziale Signale und die Weise, in der Gene abgelesen werden, ins Spiel [1]. 2003 hatte sein Team mit Hilfe von rund 70 Mikroarrays – also Chips, auf denen sich zahlreiche Biomoleküle wie DNA, RNA oder Proteine gleichzeitig nachweisen lassen – die Genexpression in den Gehirnen von Honigbienen getestet [2]. So konnten die Wissenschaftler mehr als 5000 Gene untersuchen. Ergebnis: Die Menge an Boten-RNA – die transportable Abschrift eines Gens – war bei den älteren Arbeiterinnen im Vergleich zu den jüngeren Bienen im Stock bei rund 40 Prozent aller getesteten Gene verändert. Darunter befanden sich auch Erbanlagen, welche an Veränderungen von Hirnstrukturen beteiligt sind, die möglicherweise dem Übergang zum Nektarsammeln vorausgehen.

Dabei ist die unterschiedliche Genexpression – das Ablesen von Genen – keine Frage des Alters: In einer künstlich angelegten Bienenkolonie, die nur aus jungen Tierchen bestand, bildete sich ebenfalls eine Arbeitsteilung heraus. Einige der Arbeiterinnen gingen schon vorzeitig auf Nahrungssuche – auch bei ihnen unterschied sich die Genexpression von der gleichaltriger Stubenhocker. Welche Gene abgelesen werden und wie sich die Insekten verhalten, hängt also eng zusammen.

Bereits zuvor konnte Robinson nachweisen: Bestimmte Gene wie for (für foraging, Nahrungssuche) – ein Erbfaktor, den man ursprünglich in Taufliegen entdeckt hatte – werden im Gehirn von nahrungssuchenden Bienen stärker exprimiert als in dem von Arbeiterinnen, die im Stock bleiben. Auch bei den Tierchen, die vorzeitig zum Nektarsammeln aufbrachen, konnte er eine frühreif erhöhte Expression feststellen. Durch einen pharmakologischen Eingriff ließ sich außerdem die Expression von for künstlich auslösen und damit auch ein frühreifes Nektarssammeln.

Doch woher wissen die fleißigen Bienen, wann die Zeit kommt, den Arbeitsplatz zu wechseln? 2003 wiesen Robinson und Kollegen nach: Pheromone wie "Queen Mandibular" verändern die Expression von hunderten von Genen im Gehirn der Honigbienen [3]. Die jüngeren Arbeiterinnen erfahren über Pheromone, ob noch genügend von den älteren Bienen im Einsatz sind, da diese die speziellen Botenstoffe produzieren. Verliert die Kolonie viele ihrer Nektarsammler, nimmt auch die Konzentration der Pheromone ab. Die Folge: Einige der jüngeren Arbeiterinnen treten vorzeitig ihren Dienst an der Sammlerfront an.

Musikalische Gene

Eine andere Tierart, bei der sich soziale Signale auf die Genexpression im Gehirn und damit auf das Verhalten auswirken, sind die Zebrafinken (Taeniopygia guttata). Ihre Gene reagieren auf den Gesang anderer männlicher Artgenossen. Bereits seit den 1990er Jahren ist bekannt, dass bei diesen Singvögeln Lieder eines anderen Männchens die Expression des Gens egr1 im auditorischen Lappen des Vorderhirns auslöst. Hängt die Expression von erg1 aber tatsächlich mit der sozialen Bedeutung des Signals zusammen?

Konkurrenzgeträller verändert die Genexpression von Zebrafinken
© Sarah London
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2008 schaute sich der Zell- und Entwicklungsbiologe David Clayton von der University of Illinois at Urbana-Champaign zusammen mit seiner Kollegin Shu Dong die Sache genauer an [4]: Zunächst spielten sie männlichen Zebrafinken drei Stunden lang ein Lied eines Artgenossen vor, gleichzeitig bannten sie die Reaktionen ihrer tierischen Probanden auf Video. Am folgenden Tag durfte sich eine Gruppe der Singvögel das bereits bekannte Lied, eine andere Gruppe einen neuen Song zu Gemüte führen. Wie sich herausstellte, trat ein Gewöhnungseffekt auf: hörten die Zebrafinken ein Lied zum ersten Mal, verhielten sie sich relativ lange ruhig und aufmerksam, bei erneutem Anhören verkürzte sich diese Zeit der stillen Andacht. Auch löste das unbekannte Lied eine stärkere, das bekannte eine schwächere Genexpression von erg1 in den Gehirnen der Singvögel aus.

Das Gehirn scheint sich also auch auch genregulatorischer Ebene stets seiner wandelnden Umwelt anzupassen. Ein vertrautes Lied könnte ein Familienmitglied bedeuten, während ein unbekanntes möglicherweise auf einen feindlichen Eindringling hinweist. "Was hat für einen Vogel eine größere Bedeutung als einen anderen Vogel singen zu hören?", so Clayton.

Vererbte Erfahrung

Eigentlich ist all dies ja nicht wirklich überraschend: Ein Gehirn kann in der wechselhaften Umwelt ja nur gut funktionieren, wenn es die in ihm aktiven Funktionsprozesse – letztlich also die Genaktivität – irgendwie an die jeweiligen Bedürfnisse anpasst. In jüngster Zeit zeigt sich aber immer mehr, dass soziale Erfahrungen das Genom auch langfristig "epigenetisch" verändern können – auch über Generationen hinweg von Tier zu Tier. So wirkt sich beispielsweise die Fürsorge der Mutter in ganz spezieller Hinsicht auf die Nachkommen aus. Erhält der Nachwuchs von Ratten wenig Zuwendung, wird er gegenüber Stress empfindlicher. Das Besondere: Wie stark die Jungtiere auf Stress reagieren, überträgt sich auch auf nachfolgende Generationen. Robinson und seine Kollegen sehen hier einen epigenetischen Mechanismus im Spiel: Der Kontakt zwischen Mutter und Jungtier beeinflusst chemisch dessen DNA, ohne dabei aber tatsächlich Veränderungen der Gensequenzen zu bewirken.

Wie einmal erworbene epigenetische Merkmale dann an die nächsten Generationen weitervererbt werden können, bleibt bisher unklar. Gut erforscht ist hingegen, wie Gene auf "an" oder "aus" gestellt werden können. Eine äußerst wichtige Rolle spielen hierbei so genannte Methylgruppen, die an bestimmten DNA-Abschnitten angebracht und wieder entfernt werden können, so die Molekularbiologin Ingrid Grummt vom Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Die Gene der entsprechenden Region können über diese Methylgruppen gezielt abgeschaltet werden. Die Transkriptionsfaktoren sind dann nicht mehr in der Lage, an die DNA zu binden und die betreffenden Erbfaktoren abzulesen, erläutert Grummt.

"Erfahrung kehrt ständig auf die Ebene der DNA zurück und dreht ihre Regler und Knöpfe"
(Gene Robinson)
Im Falle etwa des gestressten Rattennachwuchses hing an einem Gen für den so genannten Glucocorticoid-Rezeptor im Hippocampus öfters eine Methylgruppe – das Gen hatte nichts mehr zu melden. Die Rezeptoren, die eigentlich die Stresshormone der Glucocorticoide wie Kortisol binden und somit die Stressreaktionen bremsen, waren damit in geringerer Zahl vorhanden. So wirkt sich auch hier die Umwelt – die Fürsorge der Mutter – bei den Nachkommen darauf aus, welche ihrer Gene zum Zuge kommen und welche nicht.

Wie diese Beispiele aus dem Tierreich zeigen, verläuft der Austausch zwischen sozialem Verhalten und Genen also in zwei Richtungen. Nicht nur die Gene beeinflussen das Verhalten, sondern auch soziales Verhalten verändert die Genexpression im Gehirn, was sich letztlich wiederum im Verhalten niederschlägt. "Erfahrung kehrt ständig auf die Ebene der DNA zurück und dreht ihre Regler und Knöpfe", so Gene Robinson.