Cell:震惊!工蚁变成蚁后仅由单个蛋白控制

2021
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根据社会冲突的结果,蚂蚁物种跳镰猛蚁(Harpegnathos saltator)会做一些不寻常的事情:它们可以从工蚁切换到一种称为gamergate的类似蚁后的地位。

在一项新的研究中,来自美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员发现:一种名为Kr-h1(Krüppel homolog 1)的单个蛋白对社会调节激素(socially regulated hormone)做出反应,以协调这种复杂的社会转变。

相关研究结果于2021年11月4日在线发表在Cell期刊上,论文通讯作者为宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Roberto Bonasio和Shelley Berger。论文第一作者为宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Janko Gospocic和Karl Glastad。

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Bonasio说,“动物的大脑是可塑的,也就是说,它们可以改变其结构和功能以应对环境。这一过程也发生在人类的大脑中--想想青春期的行为变化--对生存至关重要,但控制它的分子机制并不完全了解。我们确定,在蚂蚁中,Kr-h1通过防止不适当的基因激活来遏制大脑的可塑性。”

在一个蚁群中,工蚁通过寻找食物和打击入侵者来维持蚁群,而蚁后的主要任务是产卵。然而,正是同样的基因指令,产生了这些非常不同的社会角色和行为。通过研究蚂蚁,Bonasio、Berger及其同事们想了解将某些基因“开启”或“关闭”如何影响大脑功能和行为。鉴于成年的跳镰猛蚁可以从工蚁切换到gamergate,它们是这种研究的完美选择。

为了能够研究导致这种转换的潜在分子事件,研究人员开发出一种从蚂蚁身上分离神经元的方法,并在实验室的塑料培养皿中让它们存活。这使得他们能够探索这些神经元如何对环境变化做出反应,包括激素水平的变化。

这些作者进一步确定了两种激素:保幼激素(juvenile hormone)和蜕皮激素(ecdysone),它们以不同的水平存在于工蚁和gamergate的体内,并且在工蚁和gamergate的大脑中产生了不同的基因激活模式。最大的惊喜是这两种激素通过激活单个蛋白Kr-h1来影响这些神经元。

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图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.10.006。

Berger说,“这种蛋白调节工蚁和gamergate的不同基因,并防止这些蚂蚁做出‘社会上不合适’的行为。也就是说,需要Kr-h1来维持社会等级之间的界限,并确保工蚁继续工作,而gamergate继续像蚁后一样行事。”

Bonasio补充说,“我们没有预料到,同一种蛋白可以使工蚁和gamergate的大脑中的不同基因沉默,并因此抑制gamergate的工蚁行为和工蚁的gamergate行为。我们原本认为,这些工作将被分配给两种或更多不同的因子,每种因子只存在于工蚁或gamergate的大脑中。”

这些发现揭示了社会调节激素和基因调节在动物大脑从一种遗传模式和社会等级切换到另一种遗传模式和社会等级的能力中起着重要作用。

Berger说,“关键信息是,至少在蚂蚁中,多种行为模式同时在基因组中被指定,而且基因调控对这种有机体进行哪种行为有很大影响。换句话说,杰基尔博士和海德先生(Dr. Jekyll and Mr. Hyde,指的是英国作家Stevenson的作品,书中的主角是善良的医生Jekyll,他将自己当作实验对象,结果却导致人格分裂,变成夜晚会转为邪恶Hyde的双重人格)都已经写进了基因组;每个个体都可以扮演任何一个角色,这取决于哪个基因开关开启或关闭。”

研究人员认为,其意义可能比了解蚂蚁和其他昆虫的行为可塑性要深远得多。Bonasio说,“我们很想猜测,相关的蛋白可能在更复杂的大脑中具有类似的功能,包括我们自己的大脑。发现这些蛋白可能使我们有一天能够恢复已经失去可塑性的大脑,例如衰老的大脑。”

单个因子可以在不同的大脑中抑制一组不同的基因和行为,这一发现提出了关于如何调节这种蛋白和其他类似蛋白的双重功能的重要问题。在未来的研究中,研究人员计划探索Kr-h1在其他有机体中的作用。他们说,他们还想探索环境如何在表观遗传水平上影响基因调节--通过DNA上某些化学标记的存在或缺失,以及这反过来如何影响大脑的可塑性和行为。

参考资料: Janko Gospocic et al. Kr-h1 maintains distinct caste-specific neurotranscriptomes in response to socially regulated hormones. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.10.006.

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关键词:
工蚁,大脑,基因,蛋白,行为

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