Первые метилломы муравьёв раскрывают связь между метилированием ДНК и кастовой дифференцировкой

Международная команда под руководством Медицинской школы Нью-Йоркского университета и BGI, крупнейшей в мире геномной организации, завершила первые полногеномные и однонуклеотидные метилломы ДНК двух видов муравьёв: Camponotus floridanus и Harpegnathos saltator. Это даёт новые представления о связи между эпигенетической регуляцией и кастовой дифференцировкой муравьёв, а также проливает свет на эпигенетические механизмы, вовлечённые в социальное поведение, нейробиологию и продолжительность жизни других животных. Исследование опубликовано в Current Biology.

Муравьи, как один из эусоциальных видов, живут в обществе со строгой иерархией. Члены их колоний демонстрируют крайний фенотипический пластицизм, различаясь морфологией, поведением и физиологией. Два вида в исследовании, C. floridanus и H. saltator, контрастируют по поведенческой гибкости, кастовой специализации и социальной организации. C. floridanus живёт в больших организованных колониях, где только матка откладывает оплодотворённые яйца; после её смерти колония погибает. Нерепродуктивные особи делятся на две касты — крупных и мелких рабочих, чьи различия в морфологии и поведении устанавливаются в ходе развития исключительно на основе факторов среды. В отличие от них, социальная система и разделение труда у H. saltator более базальные: диморфизм между матками и рабочими ограничен, и после смерти матки её заменяют рабочие, становящиеся функциональными матками (гамергатами). Эти два вида предоставляют убедительные экспериментальные модели для изучения эпигенетических процессов, влияющих на организм в целом.

В исследовании учёные секвенировали и проанализировали метилломы разных каст и стадий развития C. floridanus и H. saltator. Они сообщают, что в геномах муравьёв метилцитозины обнаружены как в симметричных CG-динуклеотидах (CpG), так и в контекстах, отличных от CpG, и сильно обогащены в экзонах активных генов. Авторы также указывают, что наличие метилирования не-CpG у взрослых муравьёв было неожиданным, так как ранее оно обнаруживалось только в эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) мыши и человека, что говорит о возможности биологически функционального не-CpG метилирования у муравьёв. Кроме того, сравнительный анализ показал, что паттерн экзонного метилирования ДНК может коррелировать с событиями альтернативного сплайсинга, такими как пропуск экзона и выбор альтернативного сайта сплайсинга.

Хотя C. floridanus и H. saltator разошлись более 100 миллионов лет назад, исследователи обнаружили, что несколько генов, демонстрирующих кастоспецифичные и связанные с развитием изменения в метилировании ДНК, консервативны между двумя видами. Среди них — гены, вовлечённые в репродукцию, поддержание теломер и метаболизм некодирующих РНК. У позвоночных аллель-специфичное метилирование ДНК (ASM) лежит в основе таких важных эпигенетических феноменов, как геномный импринтинг, но у беспозвоночных оно ещё не было описано. В этом исследовании учёные обнаружили несколько локусов, которые метилированы и экспрессируются моноаллельно, причём в некоторых случаях выбор метилированного аллеля зависит от касты. «Открытие ASM у муравьёв открывает новый путь для исследования ролей метилирования ДНК в формировании кастовой идентичности и социального поведения», — сказал Ции Ли, менеджер проекта из BGI.

Доктор Роберто Бонасио, генетик из Медицинской школы Нью-Йоркского университета, отметил: «Это первое исследование полногеномного метилирования ДНК у муравьёв. Учитывая замечательное фенотипическое разнообразие между рабочими и матками, от поведения до долголетия, эпигенетические процессы должны играть центральную роль в определении идентичности каждой особи и её роли в колонии. Эти первые эпигенетические карты помогут понять, как один и тот же геном может порождать разные касты, составляющие муравьиные общества».

Ции Ли добавил: «Это исследование — ещё один важный прорыв после публикации двух геномов муравьёв в Science. Благодаря всестороннему сравнению и анализу мы обнаружили множество консервативных и интересных паттернов метилирования и продемонстрировали важность метилирования ДНК в кастовой дифференцировке. В следующих исследованиях мы продолжим изучать влияние других регуляторных механизмов на кастовую дифференцировку, таких как редактирование РНК и некодирующие РНК».