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Erforschung der Varianz von Giftkomposition und Giftevolution zwischen solitären und eusozialen Aculeaten (Hymenoptera) mittels genomischer, transkriptomischer und proteomischer Methoden

Antragsteller Professor Dr. Ingo Ebersberger, seit 1/2022
Fachliche Zuordnung Evolution, Anthropologie
Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen
Systematik und Morphologie der Tiere
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399287429
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Hautflügler (Hymenoptera) sind eine der artenreichsten Insektengruppen und spielen sowohl in der Ökologie als auch in der Wirtschaft eine wichtige Rolle. Obwohl sie für ihre zahlreichen giftigen Arten bekannt sind, ist der Ursprung und die Entwicklung ihrer Gifte und der Toxingene recht unerforscht. Durch die Vielfalt der Giftsysteme bei den Hymenopteren, die sich morphologisch von einem Ovipositor zu einem Stachel entwickeln, sind sie ideal für die Untersuchung der Co-Evolution von Toxin-Genen in Verbindung mit Giftapparaten. Es ist überraschend, dass trotz der jüngsten Fortschritte in der Proteo-Transkriptomik und Genomik groß angelegte Studien über die genomischen Ursprünge von Giftgenen noch selten sind und sich nur auf einige wenige Taxa konzentrieren. Dieses Projekt trägt dazu bei, diese Wissenslücke für Hymenopteren zu schließen, indem es die Giftvariation zwischen solitären und eusozialen Aculeaten untersucht und den Ursprung und die Evolution von Giftgenen innerhalb dieser Taxa erforscht. Die Ergebnisse zeigen, dass die sekretierten Giftkomponenten von Solitärbienen weitgehend denen von eusozialen Bienen entsprechen. Allerdings gibt es einen bemerkenswerten Unterschied in der Expressionshöhe dieser Komponenten, wobei in beiden Gruppen auch wenige, unbekannte Komponenten identifiziert wurden. Um die Gene zu identifizieren, die für die Synthese von Bienengiftproteinen verantwortlich sind, wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, der proteomische, transkriptomische und genomische Daten kombiniert. Zur Vorhersage der Orthologie und der phylogenetischen Beziehungen von Genfamilien wurden mikrosynthene Muster, phylogenetische Baumrekonstruktionen und ein neuartiger Ansatz mit Deep Learning basierten Large Language Modellen verwendet. Spannenderweise zeichnet sich das Bild ab, dass die Mehrheit der dominanten Bienengiftgene bereits in den ersten Hymenopterenlinien vor der Evolution des aculeaten Stachels vorhanden war, was auf die Existenz eines Kerngemisches von Giftproteine in allen Hymenopteren hindeutet. Bei den Bienen sensu lato stammen Toxine wie Melittin und die neue Genfamilie Anthophilin, bestehend aus Apamin und mcdp, aus dieser Gruppe. Toxine aus anderen Gruppen, wie Ameisen, Wespen und Einsiedlerwespen, sind dagegen nicht zu finden. Daher wird die Hypothese unterstützt, dass Hymenopteren ein Kerngift besitzen, welches in verschiedenen Linien adaptiert und durch spezifische Toxine ergänzt wird. Wir können die Hypothese einer Familie von Aculeatoxinen, die bei allen Aculeaten vorkommen, einschließlich Melittin und Apamin, zurückweisen. In einer translationalen Studie zeigen darüberhinaus phylogenetisch ältere Melittin-Varianten von Solitärbienen vielversprechende Wirkungen auf Krebszellen und wiesen im Vergleich zum Melittin der Honigbiene eine geringere und damit besser anwendbare Toxizität für gesunde Zellen auf.

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