Distinct genetic requirements underlie LITE-1-dependent photosensation and avoidance of high concentration of diacetyl in C. elegans

Alle Lebewesen müssen ihre Welt wahrnehmen, um zu überleben. Sie müssen wissen, wann sie sich auf Nahrung zubewegen und wann sie vor Gefahr fliehen müssen. Bei vielen Tieren geschieht dies durch spezialisierte Zellen, die wie winzige Antennen wirken, Signale aus der Umgebung aufgreifen und diese in elektrische Nachrichten für das Gehirn umwandeln. Beim mikroskopisch kleinen Fadenwurm Caenorhabditis elegans, dessen Nervensystem aus nur 302 Zellen besteht, untersuchen Wissenschaftler schon lange, wie diese einfachen Kreaturen ihre chemisch und lichtdurchflutete Welt navigieren. Ein wichtiger Akteur in diesem Prozess ist ein Protein namens LITE-1. Dieses Protein fungiert als Sensor für den Wurm und hilft ihm, sowohl helles blaues als auch ultraviolettes Licht, das er als schmerzhaft empfindet, als auch bestimmte Gerüche zu erkennen, die je nach ihrer Stärke entweder anziehend oder abstoßend wirken können. Jahrelang nahmen Forscher an, dass LITE-1, da es sowohl Licht als auch Geruch verarbeitet, auch dieselbe interne Verschaltung nutzen muss, um diese Signale an das Gehirn des Wurms zu senden. Es schien logisch, dass ein einzelner Sensor auf einen einzigen Satz von Anweisungen angewiesen ist, um dem Tier mitzuteilen, was zu tun ist.

Ein Forschungsteam am MRC Laboratory of Medical Sciences in London und der Universität Umeå in Schweden beschloss, diese Annahme zu testen, indem es die genetischen Anweisungen hinter diesen Verhaltensweisen genauer untersuchte. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Szenario, bei dem der Wurm auf eine hohe Konzentration von Diacetyl trifft, einem chemischen Stoff, der nach Butter riecht. In niedrigen Mengen ist dieser Geruch angenehm und zieht den Wurm an, aber in hohen Mengen wird er toxisch und zwingt den Wurm, sich abzuwenden. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob der Weg, den der Wurm nimmt, um diesem starken Geruch auszuweichen, derselbe Weg ist, den er nutzt, um vor hellem Licht zu fliehen. Um dies herauszufinden, untersuchten sie Würmer mit defekten Genen, wobei sie gezielt nach Mutationen suchten, die die Reaktion der Würmer auf Licht verhinderten, aber ihren Geruchssinn intakt ließen oder umgekehrt. Sie testeten eine Vielzahl genetischer Veränderungen, einschließlich solcher, die die Art und Weise stören, wie Zellen chemische Botenstoffe produzieren und verwalten, sowie solcher, die die winzigen, haarähnlichen Strukturen auf den Sinneszellen des Wurms betreffen.

Die Ergebnisse offenbarten eine überraschende Aufspaltung in der Art und Weise, wie der Wurm diese zwei sehr unterschiedlichen Gefahren verarbeitet. Als die Forscher die Gene störten, die für einen spezifischen chemischen Signalweg verantwortlich sind, der für das Sehen von Licht essenziell ist, verloren die Würmer die Fähigkeit, hellem Licht auszuweichen. Diese denselben Würmern konnten jedoch immer noch den hochkonzentrierten, nach Butter duftenden Stoff riechen und sich genauso gut wie gesunde Würmer von ihm weg bewegen. Dieser Befund deutet darauf darauf hin, dass der Wurm nicht einen einzigen, universellen Satz von Anweisungen für LITE-1 verwendet. Stattdessen scheint das Protein die Gangart zu wechseln und ein anderes Set interner Werkzeuge zu nutzen, um Licht und den starken Geruch zu bewältigen. Die Studie zeigte, dass der Wurm zwar ein spezifisches Protein namens GOA-1 benötigt, um sowohl Licht als auch den starken Geruch zu vermeiden, er aber nicht die anderen Komponenten der lichtsensiblen Maschinerie benötigt, um dem Geruch auszuweichen.

Die Forscher untersuchten auch die physischen Strukturen, die dem Wurm helfen, seine Umwelt wahrzunehmen. Viele Sinneszellen von Würmern besitzen winzige, haarähnliche Ausstülpungen namens Cilien, die für die Detektion der meisten Gerüche entscheidend sind. Das Team testete Würmer, die defekte Cilien oder fehlende Teile der Maschinerie, die diese aufbaut, aufwiesen. Überraschenderweise konnten diese Würmer immer noch der hohen Konzentration von Diacetyl ausweichen, was darauf hindeutet, dass dieses spezifische Vermeidungsverhalten nicht strikt von intakten Cilien abhängt. Dies verleiht der Idee weiterer Gewicht, dass die Geruchsreaktion von der Lichtreaktion verschieden ist, welche ebenfalls nicht auf Cilien beruht. Die Studie fand zudem heraus, dass die Fähigkeit des Wurms, dem Geruch auszuweichen, zusammenbricht, wenn das interne chemische Gleichgewicht zu stark in Richtung eines bestimmten Typs von Signalmolekül verschoben wird, was darauf hindeutet, dass die Konzentration dieses chemischen Stoffes ein kritischer Schalter für das Verhalten ist.

Obwohl die Studie starke Beweise dafür liefert, dass die Vermeidung von Licht und Geruch unterschiedliche genetische Pfade nutzen, weisen die Autoren vorsichtig darauf hin, dass dies nicht das letzte Wort zu diesem Thema ist. Sie merken an, dass einige der von ihnen getesteten genetischen Veränderungen die allgemeine Gesundheit oder die Bewegung des Wurms beeinflussen könnten, was die Ergebnisse verkomplizieren könnte. Sie schlagen vor, dass zukünftige Arbeiten direkt die Aktivität der Neuronen des Wurms untersuchen müssen, um zu bestätigen, wie genau diese Signale verarbeitet werden. Für den Moment zeichnet die Arbeit ein klares Bild einer kleinen, aber bedeutenden Komplexität in der Natur: Ein einzelnes Sensorprotein kann unterschiedliche nachgeschaltete Mechanismen aktivieren, um einem Organismus zu helfen, eine Welt voller vielfältiger und oft widersprüchlicher Bedrohungen zu navigieren. Der Wurm reagiert nicht einfach nur auf die Welt; er interpretiert jedes Signal durch eine einzigartige Linse und nutzt unterschiedliche genetische Werkzeuge, um zu entscheiden, ob er vor dem Licht oder vor dem Geruch flieht.