Эпигенетика определяет судьбу "мозговитых" и "силачей" у муравьёв-древоточцев
Расшифровка геномов семи видов муравьёв открывает новые возможности для биологии и медицины. Исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе поведенческих различий двух каст рабочих муравьёв-древоточцев Camponotus floridanus, выявило связь с эпигенетикой — изучением того, как экспрессия или подавление определённых генов под влиянием химических модификаций влияет на характеристики организма.
Междисциплинарные группы под руководством Шелли Бергер (Медицинская школа Перельмана, Пенсильванский университет), Дэнни Райнберга (Нью-Йоркский университет) и Юргена Либига (Университет штата Аризона) опубликовали работу в Genome Research. Они обнаружили, что эпигенетическая регуляция — ключ к различиям между кастой крупных "майоров" (силачей-солдат колонии) и более мелких "миноров" (их "мозговитых" сестёр). У этих каст одинаковые гены, но разное поведение и строение тела.
У Camponotus floridanus две касты рабочих:
- Майоры (солдаты): Крупнее, с большой головой и мощными мандибулами для защиты гнезда и борьбы с крупной добычей.
- Миноры: Меньше и многочисленнее. Выполняют ~75–80% фуражировочной активности, ухаживают за молодью. Имеют значительно меньшую продолжительность жизни, чем майоры.
Вопрос: Как возникают такие различия при одинаковом геноме?
Команда изучила роль модификаций гистонов (белковых комплексов, вокруг которых обёрнута ДНК) в геноме муравья, создав первые эпигеномные карты для общественного насекомого. Химические модификации гистонов меняют плотность упаковки ДНК, влияя на экспрессию генов.
Ключевое открытие: Обнаружены существенные различия в паттернах модификаций гистонов между кастами. Наиболее заметная модификация хорошо коррелирует с уровнем экспрессии генов, соответствующих концепции "мозги vs. мускулы":
- У майоров выше экспрессия генов, вовлечённых в развитие мышц.
- У миноров выше экспрессия генов, связанных с развитием мозга и нейропередачей.
Эти изменения, вероятно, вызваны регуляторным геном CBP, который у млекопитающих уже известен своей ролью в обучении, памяти (его инактивация у мышей вызывает дефицит обучения) и некоторых болезнях человека. У муравьёв CBP, по-видимому, участвует в формировании сложного фуражировочного поведения у "мозговитых" миноров.
Значение и перспективы:
- Работа установила ключевую роль структуры генома и модификаций гистонов в формировании характеристик целого организма у разных каст.
- Все основные эпигенетические регуляторы млекопитающих консервативны у муравьёв, что делает их прекрасной моделью для изучения поведения, долголетия и процессов, лежащих в основе многих человеческих болезней и старения.
- В планах — манипуляции с экспрессией гена CBP у муравьёв для наблюдения за эффектами и усовершенствование техники картирования модификаций гистонов для анализа отдельных тканей (например, мозга одного муравья).