Kenn ich nicht, fress ich nicht 3

Hungriger C. elegans
Foto: B. Goldstein via Wikimedia cc3

„Futter-Präferenzen“: Das Problem kennen Eltern, die ihren Kindern mal etwas anderes eintrichtern wollen als schon wieder Nudeln oder Pizza. Abneigung oder zumindest Skepsis gegenüber unbekanntem Essen ist vielleicht eine genetisch programmierte Vorsichtsmaßnahme, um Vergiftungen zu entgehen. Ratten zum Beispiel kosten erst nur eine winzige Menge einer potentiellen neuen Futterquelle; erst wenn sie das Häppchen gut vertragen haben, schlagen sie richtig zu.

Eine neue Arbeit im Journal Elife zeigt jetzt, dass auch der Fadenwurm Caenorhabditis elegans – ein unscheinbares, 1 mm langes Tierchen – eine Vorliebe für vertrautes Futter hat. Und da C. elegans nur 959 Körperzellen hat, davon 302 namentlich bekannte Nervenzellen, konnten die Forscher um Leon Avery auch zeigen, wie die Fress-Vorliebe für Altbekanntes auf zellulärer Ebene reguliert wird.

Im Labor ernährt sich C. elegans von Bakterien, meist von einem Stamm des Bakteriums Escherichia coli. Wie sehr es dem Wurm schmeckt, sieht man am Pumpen des Schlunds – je öfter pro Minute er schluckt, desto mehr Bakterien verschwinden im Darm.

Bo-mi Song und Kollegen aus Averys Labor haben diese „Schlundpumprate“ gemessen, als Maß für die Futtervorliebe des Wurms, und dabei Folgendes gefunden: Wenn die Forscher erst Escherichia verfüttern und später auf ein anderes Bakterium, Pseudomonas, umstellen, so geht die Pumprate des Schlunds zurück. Das funktioniert auch andersherum: Zieht man die Wurmlarven mit Pseudomonas auf, reagieren sie als Erwachsene zurückhaltend auf eine angebotene Escherichia – Mahlzeit. Das ist eine Beispiel für „Verhaltensplastizität“, was einfach bedeutet: das Tier reagiert flexibel auf Umgebungsreize und hat, um beim Beispiel zu bleiben, keine genetisch vorgegebene Futtervorliebe, sondern verhält sich nach dem Prinzip „Kenn ich nicht, fress ich nicht.“

Was passiert im Nervensystem, wenn der Wurm über seine Lieblingsbakterien herfällt und alles andere links liegen lässt? Es ist schon lange bekannt, dass der Botenstoff Serotonin für die Nahrungsaufnahme eine Rolle spielt – nicht nur beim Fadenwurm, auch z.B. beim Menschen.

Song und Kollegen vermuteten daher, dass Serotonin auch bei der Nahrungsmittelpräferenz mitspielt, und in der Tat: C. elegans-Mutanten, die kein Serotonin herstellen können, zeigen auch keine Vorliebe für bekanntes Futter.

ADF Neuronen (Pfeilspitzen)
Aus Song et al, Elife 2013 cc

Der Wurm schmeckt oder riecht also seine Leibspeise und daraufhin produzieren spezialisierte Nervenzellen den Botenstoff Serotonin. Die Forscher aus Averys Gruppe fanden auch heraus, welche Nervenzellen das sind:  sogenannte ADF-Neuronen, von denen es im Fadenwurm genau zwei Stück gibt. Komplizierte neurologische Prozesse auf der Ebene einzelner Zellen erforschen zu können, genau darin liegt die Stärke des C. elegans als Labortier. Zum Beweis, dass wirklich diese zwei Zellen für die Verhaltensantwort auf das Lieblingfutter wichtig sind, schossen die Forscher die ADF- Zellen im Larvalstadium mit einem Laser ab und wiederholten dann das Experiment des Futter-wechselns: Die Würmer, die keine ADF-Zellen mehr hatten, zeigten auch keine Vorliebe für vertrautes Futter.

Das von den ADF-Zellen produzierte Serotonin wandert zur Oberfläche anderer Nevenzellen, dort sitzen Moleküle, an denen Serotonin andocken kann („Rezeptoren“). Interessant ist für die Futter-Präferenz vor allem ein Rezeptor mit dem Namen SER-7. SER-7 sitzt unter anderem auf einer Nervenzelle, die direkt mit den Schlundmuskeln Verbindung aufnimmt. Bindet Serotonin an SER-7, so schüttet diese spezielle Nervenzelle (das „MC-Motoneuron“) andere Botenstoffe an der Kontaktstelle zum Muskel aus, die dem Muskel signalisieren: „Jetzt kontrahieren“.

Abb aus Song et al. 2013, cc

Kurz zusammengefasst: Der Botenstoff Serotonin, aus ADF-Nervenzellen als Antwort auf Geruchs-und Geschmacksreize ausgeschüttet, reguliert die Vorliebe für bekannte Nahrungsquellen. Vermittelt durch eine bestimmte Klasse der Serotonin-Rezeporen, aktivieren MC-Neuronen die Schlundmuskulatur – und schon wird kräftig gefressen.

Interessant fand ich diese Arbeit aus zwei Gründen: Erstens zeigt sie mal wieder, was für eine brillante Idee Sydney Brenner, John Sulston und Bob Horvitz hatten, als sie den unscheinbaren C. elegans ins Labor holten, die gesamte Zelllinie vom Ei bis zu den 959 Zellen des erwachsenen Tiers kartierten und ein Protokoll zur genetischen Untersuchung durch Mutagenese entwickelten. Aufbauend auf dieser Pionierleistung konnten Song und Kollegen jetzt ein quer über das Tierreich verbreitetes Verhaltensmuster, eben die Methode „Was der Bauer nicht kennt, frisst er nicht“, auf zellulärer und molekularer Ebene beschreiben – nur ein Beispiel für viele ähnliche Fadenwurm-Erfolgsgeschichten.

Zweitens ist die Arbeit auch deshalb interessant, weil die Redakteure der neuen Zeitschrift Elife, wie es dort Usus ist, das Manuskript zusammen mit einer Zusammenfassung der Kommentare der Gutachter (“Decision Letter”) und der Antwort der Autoren (“Author Response”) publizierten. Wir können also nachlesen, was Experten, unter dem Mantel der Anonymität, zur Arbeit aus dem Avery-Labor denken.

Einen Einwand, den die Gutachter hatten: Das Schlundpumpen zu quantifizieren ist eine knifflige Sache. Wie man auch in den Balkendiagrammen im Paper sieht, variieren die „Schlundpumpraten“ von Experiment zu Experiment recht stark – oft stärker als der eigentliche Effekt der im jeweiligen Experiment gemessen werden soll (“Day-to-day variations in feeding rates are as large or larger than the familiarity effect. Depending on how the experiments were done, this could be of serious concern or simply puzzling”).

Die Autoren haben die Gutachter in ihrer ersten Antwort mit einem kurzen Satz abgespeist, aber die ließen nicht locker; also mussten die Autoren doch noch ausführlicher auf dieses potentielle Problem eingehen. Zurecht, finde ich, da die Quantifizierung des Schluckverhaltens der Kern des ganzen Projekts ist.

Die Autoren geben zu, dass die Raten zwischen verschiedenen Experimenten stark variieren, und dass sie nicht recht wissen, woran es liegt – das ist häufig so in Verhaltensstudien. Mag sein, dass die Dichte der Futterbakterien, verschiedene Pufferansätze, leichte Temperaturschwankungen oder ähnliche Unwägbarkeiten eine Rolle spielen. Idealerweise hätte man hoffen dürfen, dass die Autoren dem nachgegangen wären.

Aber Song und Kollegen erklären auch, einigermaßen überzeugend wie ich finde, dass diese Schwankungen für ihre Messungen letztlich nicht entscheidend seien, da sie die Daten für die statistischen Vergleiche immer im Rahmen jeweils eines Experiments unter gleichen Bedingungen gewonnen hätten.

Ich finde es lehrreich, dass wir alle den Dialog zwischen Gutachtern und Autoren mitlesen können. Zumindest in der Biologie ist das neu und viele Gutachter lehnen diese Offenheit ab. Gerade für Nicht-Experten ist es aber wichtig zu erfahren, wo die Knackpunkte einer Arbeit liegen und es ist erhellend, hinter die Kulissen des „Peer Review“ gucken zu dürfen. Ich hoffe, dass in Zukunft mehr Zeitschriften diesen Service bieten.

 

3 thoughts on “Kenn ich nicht, fress ich nicht

  1. Lars Knoch Feb 20, 2013 21:55

    Wirklich sehr interessant. Wobei fuer mich der Hinweis auf das neue Journal noch wesentlich interessanter ist, weil ich glaube das diese Plastizitaet helfen wuerde viele Vorgaenge besser zu verstehen und nachzuvollziehen.

    Lars

    • HansZ Feb 21, 2013 08:44

      “Vorgaenge besser zu verstehen und nachzuvollziehen.” – Genau, das sehe ich auch als den größten Vorteil dieses Modells. Gutachter geben sich oft große Mühe, Stärken und Schwächen eines Papers zusammenzufassen und es ist doch Unsinn, dass nur die Autoren und die Editors die Kommentare eines Experten zu sehen bekommen.
      Gegenargument ist natürlich, dass es für Insider recht leicht sein wird, zu raten wer denn den Kommentar geschrieben hat.

  2. LarsK Feb 23, 2013 23:08

    Gegenargument ist natürlich, dass es für Insider recht leicht sein wird, zu raten wer denn den Kommentar geschrieben hat.

    Naja wenn jeder nach besten Wissen und Gewissen seine Kommentare und Bewertungen abgibt, sollte das grundsätzlich ja kein Problem sein. Mehr Transparenz in diesem Prozess würde mit Sicherheit helfen Zweifel am System zu beseitigen.

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