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Die Honigbiene Apis mellifera zeigt innerhalb einer Kolonie eine an das Alter gekoppelte Arbeitsteilung. Junge Honigbienen versorgen die Brut (Ammenbienen), während ältere Honigbienen (Sammlerinnen) außerhalb des Stocks Pollen und Nektar eintragen. Die biogenen Amine Octopamin und Tyramin sind an der Steuerung der Arbeitsteilung maßgeblich beteiligt. Sie interagieren mit Zielzellen über die Bindung an G Protein gekoppelte Rezeptoren. A. mellifera besitzt fünf charakterisierte Octopaminrezeptoren (AmOctαR1, AmOctβR1-4), einen charakterisierten Tyraminrezeptor (AmTyr1) sowie einen weiteren putativen Tyraminrezeptor.
In der vorliegenden Arbeit wurde dieser putative Aminrezeptor als zweiter Tyraminrezeptor (AmTyr2) identifiziert, lokalisiert und pharmakologisch charakterisiert.
Die von der cDNA abgeleitete Aminosäuresequenz weist strukturelle Eigenschaften und konservierte Motive von G Protein gekoppelten Rezeptoren auf. Phylogenetisch ordnet sich der AmTyr2 Rezeptor bei den Tyramin 2 Rezeptoren anderer Insekten ein. Die funktionelle und pharmakologische Charakterisierung des putativen Tyraminrezeptors erfolgte in modifizierten HEK293 Zellen, die mit der Rezeptor cDNA transfiziert wurden. Die Applikation von Tyramin aktiviert Adenylylcyclasen in diesen Zellen und resultiert in einem Anstieg des intrazellulären cAMP Gehalts. Der AmTyr2 Rezeptor kann durch Tyramin in nanomolaren Konzentrationen halbmaximal aktiviert werden. Während es sich bei Octopamin um einen wirkungsvollen Agonisten des Rezeptors handelt, sind Mianserin und Yohimbin effektive Antagonisten. Für die Lokalisierung des Rezeptorproteins wurde ein polyklonaler Antikörper generiert. Eine AmTyr2-ähnliche Immunreaktivität zeigt sich im Gehirn in den optischen Loben, den Antennalloben, dem Zentralkomplex und in den Kenyon Zellen der Pilzkörper.
Des Weiteren wurde die Rolle der Octopamin- und Tyraminrezeptoren bei der Steuerung der altersabhängigen Arbeitsteilung analysiert.
Die Genexpression des AmOctαR1 in verschiedenen Gehirnteilen korreliert unabhängig vom Alter mit der sozialen Rolle, während sich die Genexpression von AmOctβR3/4 und den Tyraminrezeptoren AmTyr1 und AmTyr2 maximal mit dem Alter aber nicht der sozialen Rolle ändert. Sammlerinnen weisen einen höheren Octopamingehalt im Gesamtgehirn auf als Ammenbienen; bei Tyramin zeigen sich keine Unterschiede. Während Tyramin offensichtlich keine direkte Rolle spielt, werden durch Octopamin gesteuerte Prozesse der altersabhängigen Arbeitsteilung bei der Honigbiene vermutlich über den AmOctαR1 vermittelt.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen die wichtige Rolle von biogenen Aminen, insbesondere Octopamin bei der sozialen Organisation von Insektenstaaten.
The biogenic amine octopamine is an important neuromodulator, neurohormone and neurotransmitter in insects. We here investigate the role of octopamine signaling in honey bee phototaxis. Our results show that groups of bees differ naturally in their phototaxis. Pollen forgers display a lower light responsiveness than nectar foragers. The lower phototaxis of pollen foragers coincides with higher octopamine titers in the optic lobes but is independent of octopamine receptor gene expression. Increasing octopamine brain titers reduces responsiveness to light, while tyramine application enhances phototaxis. These findings suggest an involvement of octopamine signaling in honey bee phototaxis and possibly division of labor, which is hypothesized to be based on individual differences in sensory responsiveness.
Division of labor is a hallmark of social insects. In honey bees, division of labor involves transition of female workers from one task to the next. The most distinct tasks are nursing (providing food for the brood) and foraging (collecting pollen and nectar). The brain mechanisms regulating this form of behavioral plasticity have largely remained elusive. Recently, it was suggested that division of labor is based on nutrition-associated signaling pathways. One highly conserved gene associated with food-related behavior across species is the foraging gene, which encodes a cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-dependent protein kinase (PKG). Our analysis of this gene reveals the presence of alternative splicing in the honey bee. One isoform is expressed in the brain. Expression of this isoform is most pronounced in the mushroom bodies, the subesophageal ganglion, and the corpora allata. Division of labor and sucrose responsiveness in honey bees correlate significantly with foraging gene expression in distinct brain regions. Activating PKG selectively increases sucrose responsiveness in nurse bees to the level of foragers, whereas the same treatment does not affect responsiveness to light. These findings demonstrate a direct link between PKG signaling in distinct brain areas and division of labor. Furthermore, they demonstrate that the difference in sensory responsiveness between nurse bees and foragers can be compensated for by activating PKG. Our findings on the function of PKG in regulating specific sensory responsiveness and social organization offer valuable indications for the function of the cGMP/PKG pathway in many other insects and vertebrates. J. Comp. Neurol. 522:1786-1799, 2014. (c) 2013 Wiley Periodicals, Inc.