Einfluss von Hormonen auf das Paarungsverhalten von weiblichen Fruchtfliegen

Kopulation ist wichtig für die Fortpflanzung vieler Arten, dazu gehören auch die Fruchtfliegen, die als Drosophila melanogaster bekannt sind. Diese Fliegen zu studieren hilft Forschern zu verstehen, wie sexuelles Verhalten auf neuronaler und molekularer Ebene funktioniert. Weibliche Fliegen entscheiden oft, ob sie sich paaren wollen, je nach ihrem körperlichen Zustand und der Umgebung.

#Weibliches Paarungsverhalten

Jungfräuliche weibliche Drosophila bewerten potenzielle Partner, indem sie auf das Balzlied eines Männchens und einen Duft namens Sexpheromon achten. Wenn eine Weibchen interessiert ist, reagiert sie manchmal, indem sie innehält und einen Teil ihres Körpers, das Vaginalplättchen, öffnet. Wenn sie nicht interessiert ist, kann sie männliche Fliegen abweisen, indem sie sie wegtritt, mit ihren Flügeln fuchtelt oder ihren Legestachel herausdrückt. Nach der Paarung lehnen Weibchen oft Männchen für mehrere Tage ab, hauptsächlich indem sie das Vaginalplättchen seltener öffnen und den Legestachel mehr herausdrücken.

Damit Weibchen sich entscheiden können, müssen sie bestimmte neuronale Schaltkreise haben, die ihre Empfänglichkeit steuern. Allerdings ist noch nicht viel darüber bekannt, wie sich diese neuronalen Schaltkreise entwickeln und wie das die Paarungsbereitschaft beeinflusst.

#Gene, die an der sexuellen Differenzierung beteiligt sind

Zwei wichtige Gene bei Drosophila sind doublesex (dsx) und fruitless (fru). Diese Gene spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der sexuellen Merkmale dieser Fliegen, einschliesslich der Verhaltensweisen, die mit dem Paarungsverhalten zu tun haben. Bei Männchen sind bestimmte Formen von Fru und Dsx nötig, damit sie effektiv um Weibchen werben können. Bei Weibchen ist Fru nicht in funktioneller Form vorhanden, aber das Dsx-Gen beeinflusst trotzdem einige ihrer Paarungsverhaltensweisen.

Sowohl dsx als auch fru sind wichtig, um die Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Fliegen während ihrer neuronalen Entwicklung zu formen. Spezifische Neuronen, die mit dem Balzverhalten der Männchen in Verbindung stehen, werden durch diese Gene reguliert. Die neuronalen Bahnen, die Balzsignale wahrnehmen, enthalten ebenfalls Neuronen, die entweder spezifisch für Männchen sind oder Unterschiede zwischen den Geschlechtern aufweisen.

Im Falle eines chemischen Weges, der eine Substanz namens cis-vaccenylacetat (cVA) umfasst, die das Balzverhalten der Männchen hemmt, sind alle Komponenten dieses Weges mit dem fru-Gen verbunden, was seine Bedeutung unterstreicht.

#Hormonelle Steuerung der Entwicklung

Während der Entwicklung beeinflusst das prothoracicotrope Hormon (PTTH) den Übergang von der jugendlichen zur adulten Phase bei Drosophila, ähnlich wie bestimmte Hormone bei Säugetieren wirken. PTTH hilft, Veränderungen im Nervensystem auszulösen, während die Fliegen heranwachsen. Ecdysone, ein Hormon, das durch PTTH ausgelöst wird, spielt eine wichtige Rolle während des Häutens und der Metamorphose und beeinflusst, wie sich das Nervensystem entwickelt.

Ecdysone bindet an seine Rezeptoren, EcR-A und EcR-B1, sodass Neuronen seine Konzentration wahrnehmen und entsprechend reagieren können. Diese Rezeptoren sind entscheidend für die Bildung der spezifischen Strukturen, die für das Balzverhalten der Männchen notwendig sind. Es ist jedoch noch unklar, wie Ecdysone die Entwicklung des weiblichen Paarungsverhaltens beeinflusst, insbesondere wie es Neuronen betrifft, die fru und dsx ausdrücken.

#Faktoren, die die weibliche Empfänglichkeit beeinflussen

Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich darauf, was die weibliche Empfänglichkeit reguliert, statt darauf, wie Weibchen nach der Paarung auf Männchen reagieren. Bei jungfräulichen Weibchen reagieren spezifische Neuronen auf Signale von Männchen. Wenn Weibchen empfänglich sind, öffnen sie das Vaginalplättchen, ein Prozess, der von bestimmten Neuronen reguliert wird. Nach der Paarung interagiert eine Substanz namens Sexpeptid im Samen des Männchens mit sensorischen Neuronen im Fortpflanzungssystem des Weibchens, was dann ihre neuronale Aktivität beeinflusst und ihre Empfänglichkeit verringert.

Andere Substanzen im Nervensystem, wie Neuropeptide und Monoamine, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung der weiblichen Empfänglichkeit. Während viele Studien wichtige Neuropeptide und Monoamine identifiziert haben, die die Empfänglichkeit beeinflussen, bleiben Fragen offen, ob diese Substanzen die Bildung neuronaler Schaltkreise, die an der Empfänglichkeit beteiligt sind, regulieren.

#Untersuchung der Faktoren, die die Empfänglichkeit beeinflussen

Um zu verstehen, was die Empfänglichkeit einer jungfräulichen Drosophila-Weibchen beeinflusst, haben Forscher verschiedene genetische Linien untersucht. Sie fanden heraus, dass PTTH für die Empfänglichkeit während der Entwicklung der Fliegen entscheidend ist. PTTH-Neuronen exprimieren das dsx-Gen, was auf eine Verbindung zur sexuellen Differenzierung hinweist. PTTH treibt die Produktion von Ecdysone an, einem Hormon, das für den Reifungsprozess entscheidend ist.

Die Forscher entdeckten, dass der Verlust von PTTH zu einer erhöhten Empfänglichkeit bei jungfräulichen Weibchen führte. Sie konnten diese erhöhte Empfänglichkeit retten, indem sie Ecdysone an die Larven verabreichten, was die Bedeutung dieses Hormons zeigt. Die Reduzierung der Expression der Ecdysone-Rezeptoren in bestimmten Neuronen hatte ebenfalls Auswirkungen auf die Paarungsraten der Weibchen.

#Die Rolle von PTTH bei der weiblichen Empfänglichkeit

Um zu verstehen, wie PTTH die weibliche Empfänglichkeit beeinflusst, führten Wissenschaftler verschiedene Experimente durch. Bei Tests mit weiblichen Fliegen, denen PTTH fehlte, fanden die Forscher heraus, dass diese Weibchen eine höhere Kopulationsrate und eine kürzere Wartezeit zum Paaren hatten als normale Fliegen. Dieses Ergebnis deutete darauf hin, dass PTTH tatsächlich eine negative Rolle bei der weiblichen Empfänglichkeit spielt.

Durch die Manipulation von PTTH- und Ecdysone-Hormonspiegeln konnten sie die Wechselwirkungen bestimmen, die das Paarungsverhalten der Weibchen beeinflussten. Zum Beispiel verbesserten sich die Paarungsverhaltensweisen der Weibchen mit der Zugabe von Ecdysone bei mutierten Fliegen, die kein PTTH hatten.

#Untersuchung der Neuronen, die mit der Empfänglichkeit verbunden sind

Mit einem Fokus auf die Neuronen, die PTTH exprimieren, verwendeten Forscher genetische Werkzeuge, um diese neuronalen Schaltkreise zu visualisieren. Sie bestätigten, dass PTTH-Neuronen tatsächlich mit dem dsx-Gen verbunden sind, was darauf hinweist, dass sie Teil des Prozesses der sexuellen Differenzierung sind. Wenn Wissenschaftler jedoch diese Neuronen in bestimmten Entwicklungsphasen aktivierten, veränderte das nicht die weibliche Empfänglichkeit.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass die entscheidende Phase für die Aktivität der PTTH-Neuronen, die die Empfänglichkeit beeinflusst, während einer spezifischen Larvenstufe war. Die Aktivierung der PTTH-Neuronen in dieser Phase verringerte die Empfänglichkeit, während die Aktivierung in anderen Phasen keine signifikanten Ergebnisse brachte.

#Ecdysone und seine Rezeptoren

Ecdysone ist entscheidend für die Kontrolle verschiedener Entwicklungsprozesse bei Drosophila. Die Forscher wollten herausfinden, ob Ecdysone die neuronale Funktion im Zusammenhang mit dem weiblichen Paarungsverhalten beeinflusste. Sie fanden heraus, dass Ecdysone-Rezeptoren, speziell EcR-A, in den Neuronen vorhanden waren, die die weibliche Empfänglichkeit steuern.

Als die Funktion von EcR-A in diesen Neuronen gestört wurde, zeigten die Fliegen eine verringerte Kopulationsrate. Dieses Ergebnis deutete darauf hin, dass EcR-A eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der weiblichen Empfänglichkeit während ihrer Reifung spielt. Während die Reduzierung von EcR-B1 die Empfänglichkeit nicht signifikant beeinflusste, war die Auswirkung von EcR-A deutlich.

#Morphologische Veränderungen in Neuronen

Es war auch wichtig zu verstehen, wie sich die Struktur der Neuronen als Reaktion auf hormonelle Aktivitäten veränderte. Indem sie das Wachstumsmuster von Neuronen überwachten, bemerkten die Forscher signifikante Veränderungen in der Morphologie bestimmter Neuronen nach Hormonmanipulation. Diese Veränderungen wurden ab dem Puppenstadium beobachtet und blieben bis ins Erwachsenenalter bestehen.

Die Forscher nahmen an, dass morphologische Veränderungen in pC1-Neuronen beeinflussen könnten, wie diese Neuronen sich mit anderen Neuronen verbinden und interagieren, wodurch das Paarungsverhalten beeinflusst wird. Veränderungen in der Struktur dieser Neuronen wurden mit den reduzierten Kopulationsraten in bestimmten experimentellen Bedingungen in Verbindung gebracht.

#Schlussfolgerung

PTTH spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der weiblichen Empfänglichkeit in Drosophila, indem es die Ecdysone-Spiegel reguliert. Das Zusammenspiel von hormonellen Signalen und neuronaler Entwicklung beeinflusst, wie Weibchen auf Männchen zum Paaren reagieren. Die Erkenntnisse aus dieser Forschung könnten auch dazu beitragen, ähnliche Prozesse in anderen Arten zu verstehen und das Wissen über sexuelles Verhalten und Fortpflanzungsstrategien zu erweitern.

Letztendlich ebnen diese Entdeckungen den Weg für weitere Studien darüber, wie hormonelle und neuronale Mechanismen das sexuelle Verhalten in verschiedenen Arten steuern, was zu einem besseren Verständnis der Biologie sowohl von Insekten als auch von Säugetieren beiträgt.