玩家聚合:单个分子控制不同寻常的蚂蚁从工蚁状态转换为蚁后状态

咄咄逼人的鸟舌鸟跳跃的工蚁

一只翼齿蜥蜴的工作人员被拍到对着摄影师摆出一副咄咄逼人的姿态(张开下颚)。出处:卡尔·格拉斯塔德(伯杰实验室)

取决于社会冲突的结果,蚂蚁这个物种Harpegnathos saltator做一些不寻常的事情:他们可以从一个工人转变为一个女王的地位,即所谓的玩家门。现在,研究人员在杂志上报道细胞今天(2021年11月4日)发现了一种名为Kr-h1 (Krüppel homolog 1)的单一蛋白质,它对社会调节激素做出反应,协调这一复杂的社会转型。

“动物的大脑是可塑的;也就是说,它们可以根据环境改变其结构和功能,”宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Roberto Bonasio说。这一过程也发生在人类大脑中——想想青春期行为的变化——对生存至关重要,但控制这一过程的分子机制尚未被完全理解。yabo2018体育下载我们确定,在蚂蚁中,Kr-h1通过防止不适当的基因激活来抑制大脑的可塑性。”

蚂蚁蛋

插图显示蚂蚁与蛋。插图:Tim Christopher,摄影:Brigitte Baella和Karl Glastad

在蚁群中,工蚁通过寻找食物和抵抗入侵者来维持蚁群,而蚁后的主要任务是产卵。然而,正是相同的基因指令导致了这些截然不同的社会角色和行为。通过研究蚂蚁,Bonasio和他的同事们,包括同样来自宾夕法尼亚大学的Shelley Berger,想要了解某些基因是如何“开启”或“关闭”影响大脑功能和行为的。因为Harpegnathos成年人可以从工人变成游戏玩家,他们非常适合这类研究。

为了研究导致这种转换的潜在分子事件,由共同第一作者扬科·戈斯波西奇(Janko Gospocic)和卡尔·格拉斯塔德(Karl Glastad)领导的研究小组开发了一种方法,从蚂蚁身上分离神经元,并在实验室的塑料培养皿中让它们存活。这使研究小组得以探索细胞如何对环境变化做出反应,包括激素水平的变化。

Kr-h1稳定蚂蚁的社会角色

说明转录抑制因子Kr-h1如何通过抑制不适当的社会行为来稳定种姓身份。插图:Roberto Bonasio,摄影:Brigitte Baella和Karl Glastad

这些研究进一步确认,在工人和游戏者体内以不同水平存在的两种激素,即幼激素和蜕皮激素,在两个种姓的大脑中产生了不同的基因激活模式。最令人惊讶的是,这两种激素都是通过激活一种蛋白质——Kr-h1来影响细胞的。

伯杰说:“这种蛋白质调节工蚁和玩家的不同基因,防止蚂蚁做出‘不恰当的社交’行为。”“也就是说,Kr-h1需要维持社会等级之间的界限,并确保工人们继续工作,而玩家们继续像女王一样行事。”

Bonasio补充道:“我们没有预料到,相同的蛋白质可以使不同种姓的人大脑中的不同基因沉默,从而抑制玩家的工人行为和工人的玩家行为。”“我们认为这些工作将被分配给两个或更多不同的因素,每个因素只存在于一个或另一个大脑中。”

这些发现揭示了社会调节激素和基因调节在动物大脑从一种遗传模式和社会等级转换到另一种的能力中发挥的重要作用。伯杰说:“关键信息是,至少在蚂蚁中,多种行为模式同时在基因组中指定,基因调控可以对有机体的行为产生很大的影响。”换句话说,杰基尔博士和海德先生的部分已经写进了基因组;每个人都可以扮演任何一种角色,这取决于哪个基因开关打开或关闭。”

研究人员认为,这一发现的意义可能比了解蚂蚁和其他昆虫的行为可塑性要深远得多。Bonasio说:“很容易推测,相关蛋白质可能在更复杂的大脑中具有类似的功能,包括我们自己的大脑。”“发现这些蛋白质可能会让我们在某一天恢复大脑的可塑性,比如衰老的大脑。”

一个单一的因素可以抑制不同大脑中不同的基因和行为,这一发现提出了一个重要的问题,即这种蛋白质和其他类似蛋白质的双重功能如何被调控。yabo2018体育下载在未来的研究中,研究人员计划探索Kr-h1在其他生物体中的作用。他们说,他们还想探索环境如何影响表观遗传水平上的基因调控,通过存在或不存在某些化学标记DNA以及这反过来又如何影响大脑的可塑性和行为。

参考文献:“在社会调节激素的作用下,Kr-h1维持着独特的种姓特异性神经转录组”细胞
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.10.006

这项工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、塞尔学者计划亚博如何下载(Searle Scholars Program)和2020年马克斯·普朗克-洪堡研究奖(Max Planck-Humboldt Research Award)的支持。

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