Эпигенетические препараты перепрограммируют социальное поведение муравьев-древоточцев
В колониях флоридских муравьев-древоточцев разные касты рабочих — миноры и майоры — демонстрируют выраженные различия в социальном поведении на протяжении всей жизни. Новое исследование, опубликованное в Science, показывает, что это поведение не предопределено жестко. Социальное поведение можно перепрограммировать, что указывает на то, что поведение в колониях муравьев определяется эпигенетическим, а не генетическим профилем особи.
Эпигенетика изучает стабильные изменения в экспрессии генов, происходящие без изменения последовательности ДНК. Эпигенетическая регуляция влияет на различные признаки у животных, включая размер тела, старение и поведение. Однако о механизмах, регулирующих социальное поведение, известно мало.
Муравьи — идеальная модель для изучения социального поведения, так как колония состоит из тысяч генетически почти идентичных сестер (все рабочие и матка — самки). При этом сестры обладают стереотипно различными физическими признаками и поведением в зависимости от касты.
Ранее авторы создали первые полногеномные эпигенетические карты муравьев. Это выявило, что эпигенетическая регуляция — ключ к различию между майорами ("силачами"-солдатами) и минорами (меньшими, но "мозговитыми" сестрами). У миноров, ответственных за поиск пищи, сверхэкспрессированы гены, вовлеченные в развитие мозга и нейропередачу.
Всё дело в гистонах
Междисциплинарная команда под руководством Шелли Бергер (Медицинская школа Перельмана, Пенсильванский университет) обнаружила, что кастовое фуражирское поведение можно напрямую изменить, воздействуя на баланс ацетильных групп на гистоновых белках, вокруг которых в ядре клетки обернуты нити ДНК.
Команда показала, что поведение можно перепрограммировать с помощью соединений, ингибирующих добавление или удаление этих ацетильных групп на гистонах (гистоновую ацетиляцию), что, в свою очередь, меняет экспрессию близлежащих генов.
- У миноров: кормление химическим ингибитором, который мешает клеткам удалять ацетильные группы с гистонов, усиливало фуражирскую активность и разведку. Это сопровождалось повышенной гистоновой ацетиляцией возле генов, связанных с нейронной активностью. Ингибирование же добавления ацетильных групп снижало активность.
- У взрослых майоров: кормление теми же ингибиторами почти не усиливало фуражирство.
- Ключевое открытие: прямое введение этих эпигенетических ингибиторов в мозг очень молодых майоров немедленно увеличивало фуражирскую активность до уровня, характерного для миноров. Однократная обработка была достаточной для индукции и поддержания такого поведения до 50 дней.
Эти результаты говорят о существовании "эпигенетического окна уязвимости" в молодом мозге муравьев, которое повышает восприимчивость к воздействиям среды, таким как ингибиторы, модифицирующие гистоны.
Более широкие последствия
Один из важных генов, выявленных в исследовании, — CBP. Это эпигенетическая "писательская" фермента, которая добавляет ацетильные группы к гистонам. CBP уже известна как критический фермент, способствующий обучению и памяти у мышей, и мутирует при некоторых когнитивных расстройствах у человека (например, синдроме Рубинштейна — Тайби).
Авторы предполагают, что роль CBP в качестве эпигенетического "писателя" способствует паттернам гистоновой ацетиляции, которые усиливают пути памяти, связанные с приобретенным поведением, таким как фуражирство. Различия в активности CBP между кастами могут направлять уникальные паттерны экспрессии генов, тонко настраивающие нейронные функции для каждой касты.
"Находка о том, что CBP играет ключевую роль в установлении различных социальных поведений у муравьев, сильно suggests, что открытия, сделанные на муравьях, могут иметь широкие последствия для понимания социальной организации", — отмечает Шелли Бергер.
Команда Бергер сейчас сосредоточена на точном определении "эпигенетического окна уязвимости" и его ключевых молекулярных особенностей. Понимание того, когда и как это окно открывается, как изменения поддерживаются и почему оно закрывается с возрастом майора, может иметь глубокие последствия для объяснения уязвимости человека к воздействиям в раннем возрасте.