Einfluss epigenetischer Mechanismen auf das Verhalten der Honigbiene

Abstract

Epigenetische Mechanismen beeinflussen die Chromatinstruktur indem sie Histone und/oder die DNA modifizieren und so die Effiziez der Transkription regulieren. In meiner Dissertation habe ich den Einfluss epigenetischer Mechanismen auf Lernen und Gedächtnisbildung, sowie der Aufspaltung der Aufgabengebiete (Flieger und Ammen) der Honigbiene untersucht. Um Veränderungen zu messen, wurde auf Basis des ELISAs eine Methode entwickelt, mit der spezifische Histonmodifikationen quantifizierbar sind. Mit dieser Methode habe ich die Effizienz des Histondeacetylase-Inhibitors TSA und dessen transiente Wirkung im Gehirn der Honigbiene bestätigt. Bei der Verwendung von TSA in verschiedenen Lernparadigmen der Honigbiene konnte erstmals ausserhalb des Mausmodells gezeigt werden, dass es auch in Insekten zu einer Verstärkung des Gedächtnisses durch TSA kommt. Die detaillierte Verhaltensanalyse zeigte einen spezifischen TSA Effekt auf die Bildung von assoziativem Gedächtnis und demonstriert erstmals wie das TSA während der Konsolidierungsphase dabei wirkt. Neu war auch der Befund, dass TSA bei schwachem Training ein transientes transkriptionsabhängiges Gedächtnis induziert, das nicht in ein stabiles Langzeitgedächtnis überführt wird. Die Untersuchung der Rolle der Histonacetylierung bei der Aufspaltung der Tätigkeiten von Arbeitsbienen, welche die Basis der sozialen Organisation im Bienenstock darstellt, zeigt erstmals eine Korrelation zwischen Tätigkeit der Bienen und der Histonacetylierung am Lysin 18 von Histon H3. Die Experimente deuten darauf hin, dass Änderungen der Histonacetylierung der Auslöser für die Aufspaltung der Aufgabengebiete im Bienenstock sind. Meine Ergebnisse demonstrieren somit erstmals eine Funktion der Histonacetylierung bei Insekten und bilden die Basis um den Beitrag der Chromatinstruktur als übergeordneten Modulator beim Lernen und komplexeren Prozessen wie der Arbeitsteilung im Detail zu analysieren.

Epigenetic mechanisms alter the chromatin structure by modifying histones and/or DNA and thus change the accessibility of the transcription machinery. In my thesis I investigated the contribution of epigenetic mechanisms in learning and memory, and the complex process of labor division in honeybees. Based on ELISA I developed a technique to quantify specific histone modifications in the honeybee brain. Using this method I verified the functionality of the histone deacetylase inhibitor TSA in the honeybee and described its transient action in the brain. By combining these tools with behavioral analysis I studied the impact of TSA on different learning paradigms. For the first time I demonstrated that the enhancement of associative memory known from mice also applies to insects. The thorough behavioral analysis demonstrated a specific effect on associative memory and provided first evidence that TSA acts during the consolidation phase. Moreover I found a novel aspect of TSA action on memory formation: after a weak training session, TSA induces a transient transcription dependent memory that is not transformed into long-term memory. In addition I analyzed the role of histone acetylation in division of labor of worker bees that is the basis of the social organization in the hive. My experiments demonstrated a correlation between the task of the bee and the acetylation of lysine 18 on histone 3, and provided first evidence for a key role of this modification in initiating the division of labor. This together with the specific role in learning provides a new basis to understand and further analyse the impact of the chromatin structure as a comprehensive modulator of simple and complex behavior in insects.