单分子控制异常蚂蚁从工蚁到蚁后状态的转变

根据社会冲突的结果，Harpegnathossaltator物种的蚂蚁会做一些不寻常的事情：它们可以从工人转变为女王般的状态，称为玩家门。现在，研究人员在11月4日发表在《细胞》杂志上的报告令人惊讶地发现，一种名为Kr-h1(Krüppel同源物1)的蛋白质会对社会调节的激素做出反应，从而协调这一复杂的社会转变。

“动物大脑是可塑性的;也就是说，它们可以根据环境改变它们的结构和功能，”宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院的罗伯托博纳西奥说。“这个过程也发生在人类大脑中——想想青春期行为的变化——对生存至关重要，但控制它的分子机制尚不完全清楚。我们确定，在蚂蚁中，Kr-h1抑制大脑'通过防止不适当的基因激活来增强可塑性。”

在蚁群中，工蚁通过寻找食物和对抗入侵者来维持蚁群，而蚁后的主要任务是产卵。然而，正是相同的基因指令导致了这些截然不同的社会角色和行为。通过研究蚂蚁，博纳西奥及其同事，包括同样在宾夕法尼亚大学的雪莱伯杰，想了解“开启”或“关闭”某些基因如何影响大脑功能和行为。因为Harpegnathos的成年人可以从一个工人转变为一个游戏玩家，所以他们非常适合这样的研究。

为了研究导致这种转变的潜在分子事件，由共同第一作者JankoGospocic和KarlGlastad领导的研究小组开发了一种方法，用于从蚂蚁中分离神经元，并在实验室的塑料盘中保持它们的存活.这使团队能够探索细胞如何应对环境变化，包括激素水平。

这些研究进一步确定了两种激素，保幼激素和蜕皮激素，它们以不同水平存在于工人和游戏玩家的身体中，在两个种姓的大脑中产生了不同的基因激活模式。最大的惊喜是这两种激素通过激活单一蛋白质Kr-h1来影响细胞。

“这种蛋白质调节工人和游戏玩家的不同基因，并防止蚂蚁做出‘社交不当’的行为，”伯杰说。“也就是说，Kr-h1需要维持社会种姓之间的界限，并确保工人继续工作，而玩家门将继续像女王一样行事。”

显示转录抑制因子Kr-h1如何通过抑制不适当的社会行为来稳定种姓身份的插图。图片来源：RobertoBonasio，基于BrigitteBaella和KarlGlastad的摄影作品

“我们没有预料到相同的蛋白质可以使不同种姓大脑中的不同基因沉默，从而抑制游戏玩家的工人行为和工人的游戏玩家行为，”博纳西奥补充道。“我们认为这些工作会被分配给两个或多个不同的因素，每个因素只存在于一个或另一个大脑中。”

研究结果揭示了社会调节的激素和基因调节在动物大脑从一种遗传模式和社会等级转换到另一种遗传模式和社会等级的能力中的重要作用。“关键信息是，至少在蚂蚁中，基因组中同时指定了多种行为模式，基因调控可以对生物体的行为产生重大影响，”伯杰说。“换句话说，杰基尔博士和海德先生的部分已经被写入基因组;每个人都可以扮演任何一个角色，这取决于哪个基因开关被打开或关闭。”

研究人员认为，其意义可能比理解蚂蚁和其他昆虫的行为可塑性要深远得多。“人们很容易推测相关蛋白质在更复杂的大脑中可能具有类似的功能，包括我们自己的大脑，”博纳西奥说。“发现这些蛋白质可能让我们有一天能够恢复失去它的大脑的可塑性，例如老化的大脑。”

单一因素可以抑制不同大脑中不同基因组和行为的发现提出了关于如何调节这种蛋白质和其他类似蛋白质的双重功能的重要问题。在未来的研究中，研究人员计划探索Kr-h1在其他生物中的作用。他们表示，他们还想探索环境如何在表观遗传水平上影响基因调控——通过DNA上某些化学标记的存在与否——以及这反过来如何影响大脑的可塑性和行为。

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