Как муравьи поддерживают соотношение "один рецептор — один нейрон" для обоняния
Муравьиные общества построены на запахах. Феромоны направляют насекомых к пище, предупреждают о хищниках и регулируют жизнь колонии. Эта система химической коммуникации подчиняется простому правилу: один обонятельный рецептор — один нейрон.
Геномы муравьев содержат сотни генов обонятельных рецепторов, каждый из которых настроен на определённые химические вещества. Если бы нейрон экспрессировал несколько рецепторов одновременно, сигналы в мозге смешались бы, и муравей потерял бы своё тонкое обоняние.
Учёные, работавшие с клональным муравьём-рейдером (Ooceraea biroi), обнаружили уникальный процесс, с помощью которого каждый нейрон выбирает единственный рецептор из обширной библиотеки генов. Результаты, опубликованные в Current Biology, разрешают давнюю загадку о том, как муравьи сохраняют чёткость сенсорных сигналов.
«Мы описываем новую форму регуляции генов», — говорит Даниэль Кронауэр, глава Лаборатории социальной эволюции и поведения в Рокфеллеровском университете.
Механизм выбора одного рецептора
Центральный принцип обоняния заключается в том, что каждый нейрон должен иметь свою молекулярную идентичность. «Это своего рода догма в сенсорной нейробиологии», — говорит Джакомо Глотцер, аспирант лаборатории Кронауэра. «Каждый сенсорный нейрон обычно экспрессирует один рецептор — и это даёт ему его идентичность».
Разные виды решают «головоломку» соотношения 1:1 по-разному. Дрозофилы полагаются на молекулярные переключатели, которые включают или выключают отдельные гены. Млекопитающие используют более хаотичный подход, случайным образом перетасовывая хроматин в каждом нейроне.
У муравьев, в отличие от дрозофил (у которых около 60 обонятельных рецепторов), их несколько сотен — масштаб, сравнимый с млекопитающими. Многие из этих рецепторов собраны в кластеры почти идентичных генов.
Используя секвенирование РНК и флуоресцентную in situ гибридизацию РНК, команда обнаружила уникальный механизм у муравья-рейдера:
- Когда нейрон включает выбранный ген рецептора, РНК-полимераза не останавливается на обычной конечной точке гена. Она продолжает движение дальше, «прочитывая» (readthrough) гены, расположенные ниже по течению от цели.
- Эти «прочитанные» транскрипты остаются в ядре, вероятно, потому что им не хватает уникальной метки для экспорта. Их производство, по-видимому, само по себе заглушает нижележащие гены.
- Одновременно нейрон генерирует «антисмысловые» РНК в обратном направлении. Здесь полимераза действует как дорожный затор, заглушая вышележащие гены.
В результате вокруг выбранного гена рецептора создаётся защитный генетический щит.
«Наши выводы сосредоточены вокруг транскрипционного интерференции — нейрон выбирает один рецептор, предотвращая истинную транскрипцию других рецепторов как выше, так и ниже по течению», — говорит Парвиз Даниэль Хеджази Пастор, сотрудник лаборатории.
Широкое распространение механизма
Команда подтвердила, что этот же механизм работает у других общественных насекомых, включая индийского прыгающего муравья и медоносную пчелу. Это позволяет предположить, что многие насекомые используют транскрипционную интерференцию для поддержания соотношения 1:1.
«Этот механизм может быть распространён даже шире, чем мы думали, особенно среди видов насекомых с большим репертуаром генов обонятельных рецепторов», — говорит Кронауэр. «Вполне возможно, что дрозофилы являются исключением».
Результаты также указывают на потенциальный механизм, объясняющий, как муравьи быстро расширяют своё обоняние за относительно короткое эволюционное время. Такая система позволяет новым, дублированным генам рецепторов интегрироваться в сенсорную систему без необходимости совместной эволюции дополнительных регуляторных механизмов.
«Мы предполагаем, что этот вид системы регуляции генов способствует тому, что муравьи могут так быстро эволюционировать новые обонятельные рецепторы», — заключает Кронауэр.