Могут ли гены контролировать поведение? Пример распределения задач у медоносных пчёл

Рабочие пчёлы выполняют разные задачи в зависимости от возраста. Молодая особь становится пчелой-нянькой: кормит личинок, выделяет воск для запечатывания ячеек с расплодом и ухаживает за маткой. Через неделю она переходит к другим обязанностям (чистка сородичей, вентиляция улья, утрамбовка пыльцы). И только в конце жизни становится фуражиром, вылетая за нектаром и пыльцой.

Иегуда Бен-Шахар и его коллеги из нескольких университетов США выяснили, что это разделение труда совпадает с наличием в мозге пчёл микроРНК (miRNAs) — коротких некодирующих молекул РНК, подавляющих экспрессию генов. В мозге фуражиров уровень некоторых miRNAs выше, чем у пчёл-нянек.

Сравнение miRNAs пчёл с таковыми у ос, шмелей и муравьев показало, что эусоциальные насекомые (с развитой социальной организацией) имеют общие miRNAs, отсутствующие у одиночных видов. Это говорит о важной роли miRNAs в регуляции социального поведения в ходе эволюции.

Пластичность как модель

Распределение задач у пчёл жёстко запрограммировано, но гибко реагирует на нехватку кадров. При дефиците нянек они дольше остаются на этой роли («перезрелые няньки»), а при нехватке фуражиров молодые особи рано начинают сбор пищи («преждевременные фуражиры»). Это позволяет сравнивать экспрессию генов в разных поведенческих состояниях без влияния фактора возраста.

Роль микроРНК

miRNAs — короткие молекулы РНК (около 22 нуклеотидов), которые связываются с матричной РНК генов, снижая производство белка и «заглушая» ген. Известно, что они регулируют развитие и болезни (например, рак). Учёные предположили, что miRNAs могут влиять и на сложные функции нервной системы, включая социальное поведение.

Составление «библиотеки» микроРНК

Исследователи провели масштабный анализ miRNAs в голове пчелы. После выделения РНК, секвенирования и сложной биоинформатической обработки (совместно с экспертом по вычислительной биологии Вэйсюном Чжаном) был составлен список из 97 miRNAs, экспрессирующихся в голове медоносной пчелы, включая 17 ранее неизвестных.

Поведенческий эксперимент

Для эксперимента отобрали пять miRNAs (наиболее распространённых или связанных с нейрофункциями у других организмов). Учёные создали колонии с пчёлами одного возраста, но разными ролями («преждевременные фуражиры» и «перезрелые няньки»), извлекли их мозг и измерили уровень экспрессии miRNAs методом Northern Blot.

Результат: Уровень экспрессии четырёх из пяти miRNAs коррелировал с выполняемой задачей. Они были выше у фуражиров, чем у нянек. Поскольку miRNAs обычно подавляют экспрессию генов, это означает, что гены, активные у нянек, «замолкали» у фуражиров.

Древняя регуляторная система

Учёные также обнаружили, что 19 из 20 miRNAs, изначально считавшихся специфичными для медоносной пчелы, присутствуют в геномах других эусоциальных перепончатокрылых (муравьёв, ос). Пять из них найдены у всех эусоциальных видов, но отсутствуют у других. При этом ни одна из этих 20 miRNAs не была обнаружена в геноме одиночной осы.

miRNAs редко теряются в ходе эволюции, так как регулируют множество генов и глубоко встроены в клеточные процессы. Их наличие — ценный маркер эволюционных связей. Тот факт, что эусоциальность встречается у разных ветвей перепончатокрылых, предполагает, что этот признак мог возникать независимо несколько раз.

Заключение: Генетический контроль поведения человека, несомненно, сложнее. Однако в человеческом геноме около 2000 miRNAs (включая две из пяти, изученных у пчёл), которые, как считается, регулируют примерно 60% наших генов.