扳动一个分子开关就能把蚂蚁战士变成觅食蚁

来源：Science News | Jake Buehler | 2019-11-12 | 翻译：聚生物

孵化后不久切换一种蛋白质可以重新规划工蚁的职业道路

正常情况下，被称为小蚂蚁(左)的蚂蚁会花时间觅食。其他被称为大蚂蚁(右)的蚂蚁通常保卫巢穴，很少觅食，但向它们的大脑中注入一种化学物质会让大蚂蚁开始寻找食物-Riley Graham

在职业分工上，工蚁分为不同的类别：有些工蚁负责防御，有些负责觅食。但这些角色并不是注定的。蚂蚁的职业角色受到其生活早期环境因素的影响。

现在，一项研究揭示了这些环境因素发挥作用的一种方式。研究人员于11月12日在《Molecular Cell》（分子细胞）杂志上发表报告称，一种名为CoREST的蛋白质在佛罗里达木蚁中起着分子开关的作用。通过切换它，注定要成为士兵的大个子工蚁可以被重新编程，去做他们的小个子、觅食的姐妹们的工作。

强壮的工蚁战士，被称为“少校”（major），负责觅食的、看护幼儿的工蚁，被称为“辅助者”（minor），他们的DNA几乎相同。因此，研究人员寻找表观遗传的影响，DNA上的化学标签和相关的蛋白质可以操纵基因的解读方式，来解释不同的行为。

“这就是我们的发现，”宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的分子生物学家谢莉·伯杰说。“这是在蚂蚁身上发现的第一个调节大脑行为的表观遗传机制。”

没有参与这项研究的普林斯顿大学进化生物学家贝丽尔·琼斯(Beryl Jones)说，这项新研究强调，即使是高度专门化的社会性昆虫也能保持相当大的灵活性和对环境的反应能力。“这可能是群居昆虫取得巨大成功的另一个重要方面，”她说。

伯杰的研究小组此前已经证明，注入一种化学物质曲古抑菌素A（trichostatin A），可以帮助解开紧密包裹的DNA，可以重新编程，使大工蚁的行为像小工蚁一样(SN: 12/31/15)。但目前还不清楚trichostatin A基因会对蚂蚁产生怎样的影响，也不清楚这些蚂蚁在发育过程中还能做多大程度的改变。

在这项新的研究中，伯杰和她的同事在工蚁从蛹期成年后的0天、5天或10天将曲古他汀A注射到工蚁的大脑中。这些注射可以在成年期的5天内重新编程，但如果晚些时候注射，蚂蚁的角色已经被确定，再要改变就太迟了。

研究小组分析了在这5天的敏感性窗口期的基因活动，发现重新编程的大工蚁比未注射trichostatin A.的小工蚁产生了更多的辅酶。辅酶能抑制分解保幼激素的酶，而保幼激素通常在小工蚁中升高，而在大工蚁中则没有。增加CoREST使战士们更像他们的小工蚁兄弟——产生更少的酶和更多的保幼激素。

CoREST一直被认为与神经发育有关，但这是它首次被证明会影响行为。在包括哺乳动物在内的许多动物体内都发现了这种蛋白质。鉴于CoREST的普遍性，它甚至可能在人类生物学中发挥关键作用，Berger说。

“人类和蚂蚁之间肯定会有差异，”她说。“但是，如果CoREST真的是人类早期生活甚至青春期早期行为的重要表观遗传调控因子呢?”

伯杰接下来想研究蚂蚁个体脑细胞的表观遗传变化，看看特定的细胞类型是否是核心水平和蚂蚁行为之间联系的关键。

纽约市洛克菲勒大学(Rockefeller University)的生物学家丹尼尔•克罗诺尔(Daniel Kronauer)表示，此类研究揭示了昆虫群落的遗传基础，这是研究群居昆虫的一个激动人心的时刻。克罗诺尔没有参与这项研究。他说:“长期以来，人们一直对(蚂蚁)种姓发展和劳动分工背后的机制感到困惑，现在感觉我们终于接近了解它们了。”

Citations

K.M. Glastad et al. Epigenetic regulator CoRest controls social behavior in ants. Molecular Cell. Published online November 12, 2019. doi: 10.1016/j.molcel.2019.10.012.

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