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《细胞》:从“打工人”变身“女王” 竟然如此简单?


和人类一样,蚂蚁属于社会性动物。个体渺小但数量众多的蚂蚁集合成群体,征服了地球的角角落落。

来源: 学术经纬 

 

和人类一样,蚂蚁属于社会性动物。个体渺小但数量众多的蚂蚁集合成群体,征服了地球的角角落落。

蚂蚁们在群体中分工明确,各司其职。有些属于“职虫”,负责外出觅食、对抗入侵者;有的被称为“女王”,主要任务是在家生产后代;这些不同的身份被称为不同的社会等级(caste)。

蚂蚁的等级往往在其幼虫发育阶段就定了下来。不过,跳镰猛蚁(Harpegnathos saltator)有点特别,它们在成年阶段仍有可能转变自己的等级。当蚁群中的女王死去或被人为移除,职虫们会进行激烈的决斗,最终的获胜者转变社会角色,不再干职虫的活儿,而是展现出繁殖能力和对其他职虫的指挥,与此同时还伴随着寿命长达5倍的延长。

 

 

▲一只跳镰猛蚁张开颚展示自己的凶悍(图片来源:参考资料[2];Credit:Karl Glastad /Berger Lab,CC BY-SA)

尽管行为的转变是巨大的,但调控这种复杂转变的开关却出人意料的简单——仅仅只需一种蛋白在大脑中“打开”和“关闭”不同的基因。近日,宾夕法尼亚大学的科学家在顶尖学术期刊《细胞》上报告了他们的发现。

在转变身份的蚂蚁体内,有两种激素的浓度发生了很大变化,即保幼激素(简称JH)和蜕皮激素(简称E),这些激素的变化对于蚂蚁生殖能力有直接的影响。

有意思的是,科学家们发现,这些激素也让蚂蚁的神经细胞发生了变化。他们开发了一种新的实验方法,分离出蚂蚁的神经细胞,放在培养皿中培养,探索这些神经元在不同的激素环境下表达的基因有什么差异。

 

 

▲体外培养蚂蚁的神经元(图片来源:参考资料[1])

实验结果表明,处于不同的等级时,蚂蚁神经元中有2000多个基因的激活模式不一样,这些基因的功能涵盖了发育、代谢和神经元功能等。然而令人意外的是,这些差异并非由两套系统分别指挥,而是可以归结到同一个名为Kr-h1的转录因子。具体来说,Kr-h1起到了转录抑制剂的作用,在不同的激素水平下,它结合在DNA的不同位置,关闭不同基因。

 

 

▲研究示意图:一个开关,让蚂蚁的大脑从一种基因表达模式转变为另一种模式,社会等级及其相应行为也发生转笔(图片来源:参考资料[1])

这个发现也让我们对大脑的可塑性可以有更深的认识:在蚂蚁身上,基因组中包含了多种行为模式,而对一个分子进行调控,就可能对蚂蚁的行为产生重大影响;在比蚂蚁更复杂的大脑中,很有可能也有类似的蛋白质,具有这样四两拨千斤的作用。

注:原文有删减

参考资料:

[1] Kr-h1 maintains distinct caste-specific neurotranscriptomes in response to socially regulated hormones. Cell Doi: 10.1016/j.cell.2021.10.006

[2] Single molecule controls unusual ants’ switch from worker to queen-like status. Retrieved Nov. 5, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/933141