Эпигенетические паттерны определяют, станут ли личинки медоносной пчелы матками или рабочими

Учёные из Лондонского университета королевы Марии и Австралийского национального университета выяснили, как изменения в питании на ранней стадии развития медоносных пчёл приводят к кардинально разным характеристикам взрослых особей.

Матка и рабочие пчёлы почти генетически идентичны, но получают разный рацион в личиночной стадии. Исследователи обнаружили, что особые белковые паттерны на их геноме играют ключевую роль в определении пути развития.

Эти белки, известные как гистоны, действуют как переключатели, контролирующие развитие личинок, а диета определяет, какие именно переключатели активируются. Учёные установили, что матка развивается быстрее, а путь развития рабочей пчелы активно включается из «программы по умолчанию» для матки.

Это изменение вызвано эпигенетикой — динамическим набором инструкций, существующих «поверх» генетической информации, которые кодируют и направляют программу событий, ведущих к дифференциальной экспрессии генов и разным исходам развития (матка или рабочая пчела).

Исследование, опубликованное в Genome Research, описывает первую полногеномную карту паттернов гистонов у медоносной пчелы и первую в принципе для организмов одного пола, различающихся по репродуктивному разделению труда.

Ведущий автор доктор Пол Хёрд пояснил: «Способность отдельной личинки стать рабочей пчелой или маткой обусловлена тем, как гены включаются или выключаются в ответ на специфическую диету; это определяет столь разные результаты из одного и того же генома».

Гистоны имеют небольшие химические метки, или эпигенетические модификации, которые позволяют им вести себя иначе, чем гистоны без таких меток, обычно предоставляя доступ к ДНК и генам. Это позволяет идентичной ДНК вести себя по-разному, потому что она «обёрнута» вокруг гистонов с разными химическими (эпигенетическими) метками.

Соавтор профессор Ришард Малешка добавил: «Масштаб эпигенетических модификаций, выявленных в этом исследовании, был поразительным и превзошёл наши ожидания. Нам удалось определить, где находятся важные различия в геномах рабочих пчёл и маток».

Эпигенетическая информация может изменяться под воздействием факторов окружающей среды, включая диету. В случае медоносной пчелы личинок маток кормят маточным молочком — мощным веществом, способным изменять инструкции развития.

Авторы обнаружили, что некоторые из наиболее важных эпигенетических различий находятся в регионах генома пчелы, которые не являются частью генов. Впервые были идентифицированы эти кастово-специфичные регуляторные регионы ДНК, столь важные для формирования матки или рабочей пчелы.

Профессор Малешка отметил: «Наши выводы важны, потому что высокий уровень сходства эпигенетических инструментов у медоносных пчёл и млекопитающих делает это знакомое насекомое бесценной системой для изучения сложностей эпигенетической регуляции, которые невозможно исследовать на людях или других млекопитающих».