Эпигенетика — это исследование стабильных или стойких изменений экспрессии генов, которые происходят без изменений в последовательности ДНК. Было обнаружено, что эпигенетическая регуляция влияет на различные особенности животных, включая размер тела, старение и поведение.
Однако существует огромный пробел в знаниях об эпигенетических механизмах, регулирующих социальное поведение.Муравьи представляют собой идеальные модели для изучения социального поведения, потому что каждая колония состоит из тысяч отдельных сестер (как известно, королева и все работницы — женщины) с почти идентичным генетическим составом, очень похожим на человеческих близнецов.
Однако эти сестры обладают стереотипно отличными физическими чертами и поведением, основанными на касте.В предыдущем исследовании авторы создали первые полногеномные эпигенетические карты муравьев. Это показало, что эпигенетическая регуляция является ключом к различению майоров как «мускулистых» солдат колоний муравьев-плотников по сравнению с несовершеннолетними, их меньшими, «более умными» сестрами.
У крупных муравьев большие головы и мощные челюсти, которые помогают побеждать врагов, а также обрабатывать и транспортировать большие продукты питания. Второстепенные муравьи намного меньше по размеру, в два раза больше, чем крупных, и берут на себя важную ответственность за поиск пищи и вербовку других муравьев для сбора урожая.
По сравнению с крупными животными, у этих кормящихся несовершеннолетних гены, участвующие в развитии мозга и нейротрансмиссии, сверхэкспрессированы.В новых выводах междисциплинарная исследовательская группа под руководством старшего автора Шелли Бергер, доктора философии, из Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании, в сотрудничестве с группами под руководством Юргена Либиха из Университета штата Аризона и Дэнни Рейнберга из Нью-Йоркского университета, обнаружили, что кастоспецифическое кормодобывающее поведение может быть напрямую изменено путем изменения баланса эпигенетических химических веществ, называемых ацетильными группами, прикрепленных к гистоновым белковым комплексам, вокруг которых в ядре клетки обернуты цепи ДНК.
Чтобы выявить этот изысканный контроль, команда продемонстрировала, что поведение при кормлении можно перепрограммировать с помощью соединений, которые ингибируют добавление или удаление этих ацетильных групп на гистонах (ацетилирование гистонов), что, в свою очередь, изменяет экспрессию близлежащих генов.Бергер — профессор кафедры сотовой связи Университета Дэниела С. Оча. Биология развития, биология и генетика. Она также является директором программы Penn Epigenetics Program.
«Результаты показывают, что пластичность поведения у муравьев и, вероятно, у других животных, может регулироваться эпигенетическим образом посредством модификации гистонов», — сказал ведущий автор Дэниел Ф. Симола, доктор философии, научный сотрудник отдела клеточной биологии и биологии развития Пенсильвании. Симола — со-ведущий автор с Райли Грэм, докторантом лаборатории Бергера.
Все дело в гистонеПочти десятилетнее сотрудничество между лабораториями Бергера, Либиха и Рейнберга при поддержке Медицинского института Говарда Хьюза объединяет молекулярную биологию с наблюдениями за поведением животных, чтобы понять, как кастовые различия возникают у муравьев.
Муравьи, а также термиты, некоторые пчелы и осы относятся к эусоциальным (или «поистине социальным») видам. Предыдущая работа предположила, что ацетилирование гистонов может создавать драматические различия в экспрессии генов между генетически идентичными людьми, внося свой вклад в физические различия в размерах тела и репродуктивной способности между кастами муравьев.
Настоящее исследование расширяет этот рассказ, показывая, что кастовое поведение также регулируется эпигенетическими изменениями ацетилирования гистонов. Для этого команда использовала тот факт, что структура хроматина — наматывание ДНК вокруг гистоновых белков — может быть изменена добавлением ацетильных групп, что в конечном итоге изменяет уплотнение генома. Модификации, такие как ацетилирование гистонов, позволяют ДНК раскручиваться, в то время как другие заставляют ДНК становиться плотно компактной и недоступной для белков, регулирующих экспрессию генов.
Знание того, что модификации гистонов используются для установления специфических особенностей различных тканей внутри человека, побудило команду задаться вопросом, могут ли модификации гистонов также использоваться для создания различий в чертах, таких как социальное поведение, между людьми, особенно мускулистыми майорами и мозговыми несовершеннолетними.В научном исследовании команда кормила несовершеннолетних, собирающих пищу, химическим ингибитором, который не позволяет клеткам удалять ацетильные группы из гистонов. Это лечение улучшило поиск пищи и поиск пищи и, соответственно, привело к усилению ацетилирования гистонов рядом с генами, участвующими в нейрональной активности.
И наоборот, ингибирование добавления ацетильных групп приводило к снижению активности поедания.В отличие от резкого увеличения добычи пищи, наблюдаемого у несовершеннолетних, кормление взрослых крупных рабочих этими ингибиторами практически не вызывало увеличения добычи пищи. Однако команда обнаружила, что прямая инъекция этих эпигенетических ингибиторов в мозг очень молодых особей немедленно увеличивает добычу пищи, достигая уровней, обычно наблюдаемых только у несовершеннолетних.
Кроме того, однократной обработки этими ингибиторами было достаточно, чтобы вызвать и поддерживать второстепенную добычу пищи у крупных особей в течение до 50 дней. Эти результаты предполагают, что в мозге молодых муравьев существует «эпигенетическое окно уязвимости», которое придает повышенную восприимчивость к воздействиям окружающей среды, таким как ингибиторы, модифицирующие гистоны.Бергер отмечает, что все гены, которые, как известно, являются основными эпигенетическими регуляторами у млекопитающих, также присутствуют у муравьев, что делает муравьев «фантастической моделью для изучения принципов эпигенетической модуляции поведения и даже долголетия, потому что у королевы продолжительность жизни намного больше, чем у муравьев. Крупные и второстепенные рабочие.
Благодаря открытому нами замечательному окну, муравьи также предоставляют исключительную возможность исследовать и понимать эпигенетические процессы, которые вступают в игру, чтобы установить поведенческие модели в молодом возрасте. Это тема, вызывающая растущий исследовательский интерес к людям. из-за растущей распространенности поведенческих расстройств и заболеваний и понимания того, что диета может влиять на поведение ".Более широкие последствия
Одним из важных генов, участвующих в исследовании с муравьями, является CBP, эпигенетический «писатель» фермент, который изменяет хроматин, добавляя ацетильные группы к гистонам. CBP уже был задействован как критический фермент, способствующий обучению и памяти у мышей, и мутирует при некоторых когнитивных расстройствах человека, в частности, при синдроме Рубинштейна-Тайби.
Следовательно, результаты команды предполагают, что CBP-опосредованное ацетилирование гистонов может также способствовать сложным социальным взаимодействиям, обнаруживаемым у позвоночных.Авторы подозревают, что роль CBP как эпигенетического пишущего фермента способствует паттернам ацетилирования гистонов, которые улучшают пути памяти, связанные с усвоенным поведением, таким как поиск пищи. Различия в активности CBP между второстепенными и основными кастами могут определять уникальные паттерны экспрессии генов, которые точно настраивают функции нейронов для каждой касты.«Из исследований на млекопитающих ясно, что это важный белок, участвующий в обучении и памяти», — отметил Бергер. «Открытие, что CBP играет ключевую роль в установлении отличного социального поведения у муравьев, убедительно свидетельствует о том, что открытия, сделанные на муравьях, могут иметь широкое значение для понимания социальной организации».
Команда Бергера сейчас сосредоточена на точном определении «эпигенетического окна уязвимости» и его ключевых молекулярных характеристик. Она объясняет, что «понимание механизмов того, когда и как открывается это окно, и как изменения поддерживаются — и почему окно закрывается по мере наступления старости муравьев — может иметь глубокие последствия для объяснения уязвимости человека к воздействиям в раннем возрасте».