В раннем взрослом возрасте воздействие новых впечатлений, таких как обучение вождению автомобиля или запоминание информации для экзамена, вызывает изменения в человеческом мозгу, перестраивая нейронные пути для запечатления воспоминаний и изменения поведения. Подобно людям, поведение флоридских муравьев-плотников не высечено на камне - их роли, будь то защита колонии или поиск пищи, определяются сигналами из физической и социальной среды в начале их жизни. Но остаются вопросы о том, как долго они уязвимы для эпигенетических изменений и какие пути определяют социальное поведение муравьев.
Теперь группа исследователей из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета обнаружила, что белок под названием CoRest, нервный репрессор, который также обнаружен у людей, играет центральную роль в определении социального поведения животных. муравьи. Результаты, опубликованные сегодня в журнале Molecular Cell, также показали, что рабочие муравьи, называемые мажорами, известные как «мускулистые» солдаты, защищающие колонии, могут быть перепрограммированы для выполнения роли фуражировщика - обычно предназначенной для их сестер, младших муравьев - до пяти дней. после того, как они становятся взрослыми муравьями. Однако перепрограммирование неэффективно на 10-дневной отметке, что показывает, насколько узким является окно эпигенетической пластичности у муравьев.
«То, как у людей формируется поведение, очень увлекательно - мы знаем, что оно довольно пластично, особенно в детстве и ранней юности - однако, конечно, мы не можем изучать или манипулировать этим экспериментально», - сказала старший автор исследования Шелли Бергер. доктор философии, Дэниел С. Профессор Охского университета на факультетах клеточной биологии и биологии развития, а также директор Пенсильванского института эпигенетики. «Муравьи с их сложным обществом и поведением, а также подобной пластичностью представляют собой замечательную лабораторную модель для понимания основных механизмов и путей.
Выводы дополняют обширную работу, проведенную Бергером и его коллегами за последние 12 лет, по изучению социального поведения муравьев и роли эпигенетики в определении этого поведения. Муравьи представляют собой идеальные модели для изучения социального поведения, потому что каждая колония состоит из тысяч особей - королевы, которая откладывает все яйца, и всех ее высокородственных рабочих потомков - с почти идентичным генетическим составом, очень похожим на человеческие близнецы.. Однако сестры-работники обладают различными физическими чертами и поведением, основанным на касте. Например, крупные рабочие имеют большие головы и мощные челюсти, которые помогают защищать свои колонии, в то время как второстепенные рабочие намного меньше и берут на себя ответственность за поиск пищи и уход за выводком (развивая «детенышей» муравьев).
В предыдущем разоблачительном исследовании, опубликованном в журнале Science в 2015 году, исследователи из лаборатории Бергера показали, что можно перепрограммировать или напрямую изменить кастовое поведение основных рабочих, введя им одну дозу гистон- изменяющий хим. Хотя размер муравьев не изменился, изменилась их личность - майорские рабочие ушли из колонии и начали добывать пищу. Хотя результаты свидетельствовали об эпигенетически закодированной поведенческой пластичности муравьев, было неясно, как долго «эпигенетическое окно уязвимости» оставалось открытым и какие пути фактически определяли поведенческие различия между кастами муравьев.
В этом исследовании исследователи вводили одно и то же изменяющее гистоны химическое вещество, ингибитор гистоновой деацетилазы под названием трихостатин А (TSA), в мозг муравьев в определенные моменты в раннем взрослом возрасте: через 0, 5 и 10 дней после их появления. Они обнаружили, что многие гены, которые обычно включаются только у второстепенных рабочих, также были включены у перепрограммированных основных рабочих, и эти изменения сохранялись после короткого периода полураспада препарата. Удивительно, но ни поведенческого перепрограммирования, ни сходства экспрессии генов не наблюдалось у основных рабочих, которым вводили инъекции после 5-дневного возраста.
Что еще более важно, исследователи увидели, что белок CoRest, широко распространенный среди животных и млекопитающих, активировался у перепрограммированных основных рабочих. Они провели эпигеномное профилирование и обнаружили, что когда основные рабочие перепрограммируются, CoRest подавляет ферменты, которые разрушают ювенильный гормон (ЮГ), гормон, который естественно повышен у второстепенных рабочих, но обычно деградирует у основных рабочих. Кроме того, исследователи обнаружили, что CoRest подавляет эти гены у естественных второстепенных рабочих, но не у естественных основных рабочих, и что этот эпигенетический контроль уровней ЮГ был ответственен за естественные поведенческие различия между основными и второстепенными рабочими. Взятые вместе, результаты показывают зеркальные закономерности у естественных второстепенных собирателей и перепрограммированных основных рабочих: высокий уровень CoRest, высокий уровень ЮГ и низкий уровень деградации ЮГ.
«Учитывая, насколько тесно связаны друг с другом работники разных каст, мы всегда подозревали, что эпигеном играет большую роль в их огромных поведенческих различиях», - сказал ведущий автор исследования Карл М. Гластад, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Бергера. «Однако это первое исследование, в котором был идентифицирован реальный механизм, от эпигенома до гормональной сигнализации и, наконец, до поведения».
Работа была частично поддержана грантом Национального института здоровья (NIH) (F32GM120933) и Национального института старения (R01 5R01AG055570).