Биологи выяснили, какие гены
делают муравьиную царицу царицей и как они распределяют по кастам
ее подданных. А также поняли, почему царица живет в десять раз
дольше, чем рабочий муравей.
Список видов с расшифрованным геномом пополнился муравьями. Проект по
муравьиному геному начался в 2008 году под руководством Дэнни Рэйнберга (Danny
Reinberg), профессора биохимии Нью-Йоркского университета . Результат —
секвенирование последовательности ДНК и сравнительный анализ двух видов —
опубликован в последнем выпуске Science. В работу ученые взяли виды,
различающиеся по устройству общественной жизни, чтобы путем сравнения подвести
под нее генетическую базу.
Жизнь муравьиной семьи
В колонии муравьев размножением занимается доминантная самка — царица. Она
откладывает оплодотворенные яйца, из которых развиваются рабочие муравьи —
самки, и неоплодотворенные, из которых развиваются самцы. Рабочие муравьи в
зависимости от возраста и специализации занимаются кормлением личинок,
строительством муравейника, его защитой, добычей пищи. У некоторых видов в
случае смерти царицы ее место занимает одна или несколько рабочих особей
(гамергатов), приобретая способность к размножению. Особенности устройства
семьи зависят от вида, но поведение цариц и рабочих муравьев разных каст
(специальностей) и возрастов всегда различается. Ученым, естественно, интересно
понять, как это обеспечено генами.
У разных видов свой устав
Один изученный вид — флоридский муравей-древоточец (Camponotus floridanus)
живет большими сложноорганизованными колониями. У него сильно развита
территориальность. Колония всецело зависит от царицы и с ее смертью перестает
существовать. Рабочие муравьи никогда не размножаются и образуют две устойчивые
касты, различные не только по поведению, но и по размеру. Большие рабочие
муравьи защищают колонию, а малые занимаются добычей пищи.
Другой вид — прыгающий муравей-танцор (Harpegnathos saltator) — хищник,
который образует сравнительно небольшие колонии. После смерти царицы между
рабочими муравьями происходит сражение, и одна или несколько особей могут
повысить свой статус — стать гамергатами и начать размножаться. Среди
остальных рабочих муравьев специализация развита слабо, одни и те же особи
выполняют разную работу.
Мы с муравьями одинаковы на треть
Муравьиный геном секвенировали по технологии Illumina Genome Analyzer с
более чем 100−кратным перекрытием, что обеспечило высокую точность. Размер
генома у C. floridanus и H. saltator составил 240 и 330 Mb соответственно. Это
примерно в десять раз меньше, чем геном человека. Но по количеству генов
разница не столь велика: у муравья-древоточца и прыгающего муравья ученые
насчитали 17 064 и 18 564 генов соответственно (у человека — около
23 000).
Две трети кодирующих белок генов муравья типичны для насекомых (их
сравнивали с генами пчелы, дрозофилы и наездника), а треть генов имеется как у
беспозвоночных, так и у позвоночных, включая человека. Есть и видоспецифичные
гены: 3230 у С. floridanus и 2617 у Н. saltator.
Одинаковое устройство — разное поведение
Так как все муравьи в одной колонии несут очень сходную наследственную
информацию, но отличаются по образу жизни и поведению, значит все дело не в
наборе генов, а в их регуляции. Все, что относится к внешним воздействиям на
работу генов, относят к эпигенетике. И именно для изучения эпигенетики муравьи
оказались особенно интересны.
У разных по социальной организации видов C. floridanus и H. saltator
оказалась неодинаковой степень метилирования ДНК. Это один путь регуляции. Есть
и другие, например характер упаковки ДНК в хромосомы при помощи
белков-гистонов. С ним связана продолжительность жизни, поэтому то, что
муравьиная царица живет в десять раз дольше рабочих муравьев и в 500 раз
дольше, чем самцы, получило генетическое объяснение. Регулятор гистонной
упаковки белок сиртуин, как считают, противостоит старению. У царицы и
гамергатов его гены работают на более высоком уровне, чем у рабочих муравьев. В
результате у царицы гораздо активнее фермент теломераза, который
восстанавливает концы хромосом — теломеры и тем самым препятствует старению.
Активность теломеразы увеличивается и у гамергатов, а у обычных рабочих
муравьев и у самцов она подавлена. Поэтому гамергаты, которые у прыгающего
муравья начинают играть роль царицы, вместе со способностью к размножению
получают долгую жизнь. Гистонная регуляция затрагивает и другие гены, которые активны у разных
муравьиных каст и на разных стадиях развития, когда происходит смена
специализации. Одни ферменты усиленно работают у размножающихся гамергатов,
другие — у молодых рабочих муравьев, третьи — у взрослых фуражиров, четвертые
— у солдат.
Кроме того, гамергаты у Н. saltator отличаются от рабочих муравьев
разнообразием микроРНК. А у C. floridanus разнообразие этих небольших молекул
наблюдается у двух каст рабочих муравьев. Это говорит о том, что микроРНК —
еще один путь генной регуляции, который обеспечивает разное поведение и
специализацию.
Мастера химического языка
Социальная организация муравьев основана на совершенной системе коммуникации
через химические передатчики — феромоны. Ученые обнаружили, что у муравьиных
каст по-разному работают гены обонятельных рецепторов, нейромедиаторов, ионных
каналов. Так что кастовое поведение закодировано в мозге на уровне экспрессии
мозговых генов. Ключевую роль в узнавании сожителей по муравейнику играют углеводороды кутикулы — наружного покрова. У
двух видов муравьев биологи нашли 19 и 14 генов, связанных с метаболизмом этих
веществ, в то время как у пчелы только три, а у дрозофилы — четыре. Это
говорит о важности данного пути в муравьиной коммуникации. Например, гамергаты
публично объявляют о своем новом репродуктивном статусе изменением
углеводородного состава кутикулы.
«Так как каждый муравей в колонии несет одинаковую генетическую информацию,
— объясняет Рейнберг, — разные нервные связи и специализация поведения в
соответствии с социальным рангом могут контролироваться только эпигенетическими
механизмами». Их понимание важно не только для раскрытия тайн муравьиной жизни,
но и для изучения эпигенетических механизмов в работе мозга человека, считают
ученые.
