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Science:宾夕法尼亚大学研究团队发现表观遗传学实现行为重编程

摘要 : 近日,宾夕法尼亚大学领导的研究团队发表一项研究成果在Science杂志上,该研究成果通过影响蚂蚁的组蛋白乙酰化,直接改变了阶级特异性的觅食行为。他们用化合物抑制组蛋白乙酰化的添加和去除,改变了附近基因的表达水平,重编程了蚂蚁的觅食行为。

近日,宾夕法尼亚大学领导的研究团队发表一项研究成果在Science杂志上,该研究成果通过影响蚂蚁的组蛋白乙酰化,直接改变了阶级特异性的觅食行为。他们用化合物抑制组蛋白乙酰化的添加和去除,改变了附近基因的表达水平,重编程了蚂蚁的觅食行为。

在佛罗里达木蚁中,大工蚁(majors)和小工蚁(minors)属于两个完全不同的阶级,它们的社会性行为存在很大差异。, 这些阶级特异性的社会行为并非一成不变,可以人为地进行表观遗传学重编程。

表观遗传学修饰可以在不改变DNA序列的情况下调控基因的活性。这种调控机制影响着动物的体型、衰老和行为,是近年来生命科学领域的一大研究热点。

在此之前,研究人员曾构建了首个蚂蚁全基因组表观遗传学图谱。研究显示,强壮大工蚁和聪明小工蚁之间的关键区别在于表观遗传学调控。大工蚁头大、上颚发达,能与敌人战斗,也能处理和运输大块食物。小工蚁体型小数量多,承担着寻找食物的重要职责,它们会在大丰收的时候寻求帮助。与大工蚁相比,小工蚁的大脑发育基因和神经传递基因存在过表达。

宾夕法尼亚大学的Shelley Berger、亚利桑那州立大学的Juergen Liebig和纽约大学的Danny Reinberg领导团队,文章的第一作者Daniel F. Simola说。“这些结果说明,蚂蚁和其他动物的行为可塑性,可能受到了组蛋白乙酰化的表观遗传学调控,”

蚂蚁、白蚁以及一些蜜蜂和黄蜂属于真社会性(eusocial)昆虫,是研究社会行为的理想模型。此前的研究表明,组蛋白乙酰化能在基因完全相同的个体之间形成很大的基因表达差异,决定蚂蚁不同等级的体型和繁殖能力。这项研究意味着,蚂蚁的阶级性社会行为也受到组蛋白乙酰化的控制。

高等生物的细胞核负责储存基因组DNA,这些DNA环绕着由四种组蛋白组成的八聚体,形成碟状的核小体结构。基因组DNA以这样的形式包装成为染色质,使DNA受到良好的保护。但在这种紧密包装的状态下,介导DNA转录、修复和复制的酶难以接触到DNA,也就无法执行其正常功能。组蛋白乙酰化可以改变染色质结构,使DNA展开。

研究人员让觅食性小工蚁食用组蛋白去乙酰化的抑制剂,结果增强了小工蚁的觅食行为,增多了神经活性基因附近的组蛋白乙酰化。抑制组蛋白乙酰化会减少小工蚁的觅食活动。

研究人员发现,这些抑制剂对成熟大工蚁的觅食行为影响不大。不过,将表观遗传学抑制剂直接注射到幼年大工蚁的大脑,立刻就能增强其觅食行为,达到小工蚁正常水平。一次抑制剂处理可以在大工蚁中诱导和保持觅食行为50天。由此可见,幼年蚂蚁的大脑存在一个“表观遗传学脆弱期”,在窗口期之内对环境操纵更加敏感。

蚂蚁具备所有已知的哺乳动物表观遗传学主调控子,可以帮助我们理解“行为甚至长寿的表观遗传学调控原则。举例来说,蚁后的寿命比工蚁长得多。表观遗传学脆弱期的发现,为我们提供了探索幼年行为模式建立及其表观遗传学调控的绝好机会。这类研究现在越来越受到重视。”

广泛的启示

这项研究为人们揭示了一个重要的蛋白,组蛋白乙酰化酶CBP。已知CBP能够促进小鼠的学习和记忆,而且特定人类认知障碍(Rubinstein-Taybi综合征)存在CBP突变。这项研究表明,CBP介导的组蛋白乙酰化可能也涉及了脊椎动物的复杂社交互动。

研究人员指出,CBP促成的组蛋白乙酰化模式,可以加强与习得行为(比如觅食)有关的记忆通路。小工蚁和大工蚁之间的CBP活性差异,诱导了不同的基因表达模式,能对神经元功能进行微调。

“在哺乳动物研究中,很明显CBP是涉及学习和记忆的重要蛋白,”Berger强调。“CBP在蚂蚁社会行为中起到的关键作用,为我们带来了广泛的启示。”

研究人员正在尝试精确定义“表观遗传学脆弱期”及其分子特征。“理解这个窗口的打开和关闭有着深远的意义,有助于解释童年生活经历对人类的巨大影响,”Berger说。

原文链接:Epigenetic (re)programming of caste-specific behavior in the ant Camponotus floridanus

原文摘要:INTRODUCTION

Eusocial insects, such as ants, live a communal lifestyle within colonies of close genetic relatives. colony members are organized into castes defined by behavioral and, in some species, morphological traits. This caste system allows for colonial division of labor and is a key adaptation of eusocial insects. However, there is limited understanding of the molecular regulation of caste-specific behavior and the principles underlying division of labor. In the carpenter ant Camponotus floridanus, morphologically distinct worker castes called minors and majors exhibit unique patterns of histone posttranslational modifications, including lysine acetylation regulated by CBP [cyclic adenosine monophosphate response element–binding protein (CREB) binding protein], a conserved histone acetyltransferase (HAT).

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