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研究团队发现了控制木蚂蚁社交行为的表观遗传途径

  

研究团队发现了控制木蚂蚁社交行为的表观遗传途径

 

  小(左)和大(右)佛罗里达花。工人。通常,未成年工进行绝大多数觅食,而大工则防御入侵者的巢穴,很少觅食。

  在成年初期,接触新经验(例如学习驾驶汽车或存储考试信息)将触发人脑的变化,重新连接神经通路以留下记忆并改变行为。与人类相似,佛罗里达木蚂蚁的行为也不是一成不变的,它们的作用,无论是保护殖民地还是觅食,都是由他们生命早期的物理和社会环境发出的信号所决定的。但是问题仍然存在,即它们容易受到表观遗传变化的影响时间长短,以及控制蚂蚁社会行为的途径。

  现在,在医学佩雷尔曼学院在宾夕法尼亚大学的研究人员领导的一个研究小组发现,一种蛋白质称为COREST,神经抑制也设置在人体中发现,在决定核心作用的社会行为的蚂蚁。该结果今天在《分子细胞》上发表,还揭示了被称为“少校”的工蚁,被称为保护殖民地的“棕褐色”士兵,可以重新编程以执行觅食作用(通常留给其姐妹,即小蚁),最多可以使用五天。在它们变成成年蚂蚁之后。但是,重编程在10天标记时无效,这表明蚂蚁表观遗传可塑性的窗口有多窄。

  该研究的资深作者雪莱·贝格(Shelley Berger)博士说:“如何在人类中建立行为是非常令人着迷的-我们知道它非常具有可塑性,尤其是在儿童期和青春期-但是,我们当然不能通过实验来研究或操纵这种行为。”丹尼尔·奥克斯大学(Daniel S. Och University)细胞与发育生物学与生物学系教授,宾州表观遗传学研究所所长。“蚂蚁,由于其复杂的社会和行为,以及相似的可塑性,为理解潜在的机制和途径提供了一个极好的实验室模型。

  这些发现增加了由Berger及其同事在过去12年中领导的广泛的工作范围,该工作研究了蚂蚁的社会行为以及表观遗传学在确定该行为中的作用。蚂蚁为研究社会行为提供了理想的模型,因为每个殖民地都由成千上万的个体组成-女王完成所有卵子的产后,以及她所有与亲戚有密切关系的后代,其遗传组成几乎相同,就像双胞胎一样。但是,姊妹工基于种姓具有独特的身体特征和行为。例如,主要工人头大而下颌骨强壮,可以保护自己的殖民地,而次要工人则小得多,承担着寻找食物和照顾雏鸟的责任(培养“婴儿”蚂蚁)。

  画中画进入全屏玩从主要和次要工人的巢穴中觅食竞技场的示例。左侧区域显示了经过TSA处理的专业(大型蚂蚁)在未处理的未成年人(右侧区域的较小工人)旁边觅食。觅食的大部分Camponotus floridanus工人都是未成年人。但是,在注射增加组蛋白乙酰化作用的药物后,大型工人(左运动场中的大蚂蚁)更有可能觅食糖水(运动场中的液体)。图片提供:Berger实验室的Karl Glastad

  在先前发表于2015年《科学》杂志上的一项启示性研究中,伯杰实验室的研究人员表明,可以通过给他们注射单剂量的组蛋白改变化学品来对主要工人的种姓特定行为进行重新编程或直接改变。尽管蚂蚁的大小没有变化,但他们的身份却发生了变化-主要工人从殖民地徘徊,开始觅食。虽然结果表明了表观遗传编码的蚂蚁的行为可塑性,但尚不清楚“表观遗传易感性窗口”保持打开多长时间,以及实际上确定蚂蚁种姓之间行为差异的途径是什么。

  在这项研究中,研究人员在成年早期的特定时间点(即出现后零,五和十天),在蚂蚁的大脑中注射了相同的组蛋白改变剂,一种称为组蛋白去乙酰化酶抑制剂的曲古菌素A(TSA)。他们发现,通常只在未成年人中打开的许多基因也在重新编程的主要工人中也打开了,并且这些变化在药物的半衰期短后仍能很好地持续。令人惊讶的是,在5天后注射的主要工人中,行为重编程和基因表达相似性均未发生。

  更重要的是,研究人员发现,在重新编程的《主要工人》中,广泛存在于动物和哺乳动物中的CoRest蛋白被上调了。他们进行了表观基因组分析,发现对大型工人进行重新编程时,CoRest抑制了降解少年激素(JH)的酶,该激素在未成年人中自然升高,但在大型工人中通常会降解。此外,研究人员发现CoRest在自然的未成年工人(而非自然的主要工人)中抑制了这些基因,并且JH水平的这种表观遗传控制是主要和次要工人之间自然行为差异的原因。两者合计,结果揭示了天然小觅食者和重新编程的主要工人中的镜像模式:较高的CoRest,较高的JH水平和较低的JH降解。

  这项研究的主要作者,博士后说:“鉴于不同种姓的工人之间有多么密切的联系,我们一直怀疑表观基因组在他们巨大的行为差异中起着重要作用。”伯杰实验室的研究员。“但是,这是首次从表观基因组,通过激素信号转导到行为的真正机制的研究。”

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