Согласно новому исследованию, небольшая настройка активации одного белка может определить, станут ли некоторые муравьи непритязательными рабочими или репродуктивными царицами (королевами). В то время как большинство видов муравьев рождаются в определенной касте в своей колонии, практически не имея возможности подниматься по социальной лестнице, прыгающий муравей Джердона (Harpegnathos saltator) несколько отличается.
Когда королева этого вида умирает, рабочие в колонии сражаются за то, кто займет ее место. Муравьи, которые в конечном итоге побеждают, становятся так называемыми «игроками», находящимися в рамках новой игровой роли. Отложив работу по добыче пищи, эти особи вместо этого командуют другими муравьями и тратят свое время на размножение и откладывание яиц, по сути принимая на себя роль королевы.
Предыдущие исследования показали, что переход к роли игрока сопровождается изменениями в мозге муравья, включая различные экспрессии генов, разные уровни гормонов и другой клеточный состав. Эти правящие муравьи живут примерно в пять раз дольше, чем другие муравьи-рабочие.
Но что именно запускает эту невероятную трансформацию в среднем возрасте? До сих пор это оставалось загадкой.
«Мозг животных пластичен; то есть они могут изменять его структуру и функции в зависимости от окружающей среды», - объясняет молекулярный биолог Роберто Бонасио из Пенсильванского университета.
«Этот процесс, который также происходит в человеческом мозге - подумайте об изменениях в поведении в подростковом возрасте - имеет решающее значение для выживания, но молекулярные механизмы, которые его контролируют, до конца не изучены».
Рабочий муравей Harpegnathos saltator запечатлен на агрессивной демонстрации (открытые челюсти), направленной на фотографа. Фото: Karl Glastad (Berger Lab).
Для дальнейшего изучения идеи пластичности мозга Бонасио и его коллеги провели серию экспериментов над прыгающими муравьями Джердона, в которых их нейроны подвергались воздействию различных уровней гормонов.
Команда сосредоточила свое внимание на двух гормонах, в частности на ювенильном гормоне III (JH3) и стероидном гормоне экдистене (20E). Считается, что они оба регулируют социальное поведение муравьев и даже некоторых других социальных насекомых, таких как пчелы.
В текущем исследовании, когда в мозг муравьев вводили аналог JH3, авторы обнаружили, что это снижает их охотничью активность. С другой стороны, когда 20E вводили в мозг, он стимулировал активацию яичников.
Полученные данные свидетельствуют о том, что в сигнальных путях этих гормонов есть что-то, что определяет переключение от одной социальной касты к другой. Но что такое само переключение?
Выделив определенные нейроны в мозгу муравьев, исследователи более подробно проверили, как этот механизм может работать в лаборатории. Оба социальных гормона в конечном итоге, по-видимому, влияют на нейроны муравьев, активируя единственный белковый фактор, известный как Krüppel homolog 1 (Kr-h1).
Kr-h1 похож на выключатель света, а гормоны - это пальцы, которые включают или выключают либо состояние мозга рабочего, либо состояние мозга игрока.
В частности, эти гормоны, по-видимому, влияют на то, с какими генами Kr-h1 в конечном итоге связывается внутри нейрональной клетки.
Что касается уровня гормонов, наблюдаемого у рабочих муравьев, Kr-h1, по-видимому, связывает и подавляет гены, ассоциированные с игроками. Между тем, для уровня гормонов, наблюдаемого у игроков, этот белок, по-видимому, подавляет генные пути, основанные на рабочих.
Когда этот белок был полностью удален из нейронов муравьев, исследователи обнаружили, что муравьи-игроки начали действовать как рабочие, а рабочие муравьи стали действовать как игроки.
«Мы не ожидали, что один и тот же белок может заставить замолчать разные гены в мозгу разных каст и, как следствие, подавить рабочее поведение у игроков и игровое поведение у рабочих», - говорит Бонасио.
«Мы думали, что эти задания будут назначены двум или более различным факторам, каждый из которых присутствует только в одном или другом мозге».
Иллюстрация, показывающая муравья с яйцами. Фото: Tim Christopher, based on photography by Brigitte Baella and Karl Glastad.
Хотя результаты, безусловно, предполагают, что есть два основных социальных гормона, контролирующих кастовое поведение прыгающих муравьев Джердона, и что это осуществляется с помощью одного белкового фактора, нам потребуются дальнейшие исследования, чтобы действительно доказать, что это так.
Более того, авторы исследования хотят выяснить, существует ли роль Kr-h1 в других социальных организмах, которые имеют сходные неврологические гормоны.
На данный момент, однако, основная идея состоит в том, что в геном муравья записано множество возможных вариантов поведения, и регуляция генов может влиять на то, какое поведение в конечном итоге возобладает.
«Другими словами, части и доктора Джекила, и мистера Хайда уже записаны в геном; каждый может играть любую роль, в зависимости от того, какие генные переключатели включены или выключенны», - говорит эпигенетик Шелли Бергер из Пенсильванского университета.
Иллюстрация, показывающая, как репрессор транскрипции Kr-h1 стабилизирует кастовую идентичность, подавляя несоответствующее социальное поведение. Фото: Roberto Bonasio, based on photography by Brigitte Baella and Karl Glastad.
Исследование было опубликовано в Cell.
Источник: Phys.org.
