Один белок контролирует превращение муравьёв из рабочих в цариц

Муравьи вида Harpegnathos saltator обладают уникальной способностью: в результате социальных конфликтов они могут переключаться из статуса рабочего в статус, подобный царице, — гамергата. Исследователи, опубликовавшие работу в журнале Cell 4 ноября, обнаружили, что за этот сложный социальный переход отвечает единственный белок — Kr-h1 (Krüppel homolog 1). Он реагирует на социально-регулируемые гормоны, чтобы управлять перестройкой.

«Мозг животных пластичен, то есть может менять свою структуру и функцию в ответ на окружающую среду, — говорит Роберто Боназио из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета. — Этот процесс, который происходит и в мозге человека, важен для выживания, но его молекулярные механизмы до конца не изучены. Мы выяснили, что у муравьёв Kr-h1 ограничивает пластичность мозга, предотвращая неадекватную активацию генов».

В колонии рабочие добывают пищу и защищают её, а основная задача царицы — откладывать яйца. При этом такие разные социальные роли и поведение возникают из одних и тех же генетических инструкций. Изучая муравьёв, Боназио и его коллеги, включая Шелли Бергер, хотели понять, как включение или выключение определённых генов влияет на работу мозга и поведение. Harpegnathos идеально подходят для таких исследований, так как взрослые особи могут переключаться из рабочего в гамергата.

Чтобы изучить молекулярные механизмы этого переключения, исследовательская группа под руководством соавторов Янко Госпожича и Карла Гластада разработала метод выделения нейронов муравьёв и поддержания их жизнеспособности в лабораторных условиях. Это позволило изучить, как клетки реагируют на изменения среды, включая уровень гормонов.

Исследования показали, что два гормона — ювенильный гормон и экдизон, уровень которых различается у рабочих и гамергатов, — вызывают различные паттерны активации генов в мозге двух каст. Самым неожиданным стало то, что оба гормона влияли на клетки, активируя один и тот же белок — Kr-h1.

«Этот белок регулирует разные гены у рабочих и гамергатов и не позволяет муравьям демонстрировать "социально неадекватное" поведение, — говорит Бергер. — Другими словами, Kr-h1 необходим для поддержания границ между социальными кастами, чтобы рабочие продолжали работать, а гамергаты вели себя как царицы».

«Мы не ожидали, что один и тот же белок может "заглушать" разные гены в мозге разных каст и, как следствие, подавлять поведение рабочего у гамергатов и поведение гамергата у рабочих, — добавляет Боназио. — Мы думали, что эти задачи будут возложены на два или более разных фактора, каждый из которых присутствует только в одном из типов мозга».

Результаты раскрывают важную роль социально-регулируемых гормонов и регуляции генов в способности мозга животных переключаться с одного генетического режима и социальной касты на другую. «Ключевой вывод в том, что, по крайней мере у муравьёв, множество моделей поведения одновременно заложены в геноме, и регуляция генов может сильно влиять на то, какое поведение реализует организм, — говорит Бергер. — Иными словами, части как доктора Джекила, так и мистера Хайда уже записаны в геноме; каждый может сыграть любую роль в зависимости от того, какие генетические переключатели включены или выключены».

Исследователи полагают, что последствия их работы могут выйти далеко за рамки понимания поведенческой пластичности у муравьёв и других насекомых. «Есть соблазн предположить, что родственные белки могут выполнять схожие функции в более сложном мозге, включая наш собственный, — говорит Боназио. — Открытие таких белков может однажды позволить нам восстановить пластичность мозга, утратившего её, например, в процессе старения».

Открытие того, что единственный фактор может подавлять разные наборы генов и моделей поведения в разных мозгах, ставит важные вопросы о том, как регулируется двойная функция этого и подобных белков. В будущих исследованиях команда планирует изучить роль Kr-h1 у других организмов. Они также хотят исследовать, как окружающая среда влияет на регуляцию генов на эпигенетическом уровне — через наличие или отсутствие определённых химических меток на ДНК — и как это, в свою очередь, влияет на пластичность мозга и поведение.