Как пчелы решают, кем быть

Ученые из института Джона Хопкинса связывают обратные эпигенетические маркеры с образцами поведения.

Исследователи отметили первое свидетельство того, что сложные и обратимые поведенческие шаблоны у пчел и, по видимому, у других животных, связаны с обратимыми химическими метками на генах.

Наиболее существенным в новом исследовании является то, что впервые разметка ДНК-метилирования была связана с чем-то на поведенческом уровне целого организма. Помимо этого, рассматриваемое поведение и соответствующие ему молекулярные изменения обратимы и обладают важным значением для человеческого здоровья.

Результаты опубликованы в издании Nature Neuroscience.

По словам профессора Энди Файнберга, дополнение ДНК-метилирования к генам, как давно было известно, играет важную роль в регулировании генной активности в меняющихся биологических системах, таких как определение исхода стволовых клеток или создание раковых клеток. Поделав узнать больше о том, как эпигенетика способствует поведению, Файнберг с коллегами исследовали проверенную модель поведения животных, а именно пчел.

Работая совместно с экспертом по пчелам доцентом Гро Эмдем из университета штата Аризона, группа Файнберга обнаружила существенные различия в шаблонах ДНК-метилирования у пчел, обладающих идентичными генетическими последовательностями, но весьма различными поведенческими образцами.

С помощью метода под названием CHARM (всесторонние высокопроизводительные множества для относительного метилирования), который позволяет исследователям анализировать весь геном сразу, ученые проанализировали местоположение ДНК-метилирований в мозге рабочих пчел двух разных профессий. Все рабочие пчелы — самки, и в пределах одного улья являются генетически идентичными сестрами. Однако не все они выполняют одну работу: некоторые пчелы собирают нектар, а другие — следят за потомством.

Пчелы-сиделки обычно моложе, и они остаются в улье, чтобы заботиться о личинках и пчелиной матке. Как только медсестры достаточно взрослеют, что становятся добытчицами и собирают пыльцу и другие необходимые улью материалы. «Сами по себе гены не скажут нам, что именно отвечает за два типа поведения», сказал Файнберг. „Но эпигенетика, и то, как она контролирует гены, может“.

Файнберг и Эмдем начали эксперимент с новых ульев, населенных пчелами одного возраста. Это заранее устранило возможность того, что любые найденные различия можно списать на возраст. „Когда молодняк одного возраста заселяет улей, то делит свои задачи так, чтобы верные пропорции популяции стали сиделками и добытчицами“, пояснила Эмдем. Именно такие две популяции были протестированы после кропотливой характеристики и маркировки каждой пчелы в соответствии с ее профессиональной или поведенческой категорией.

Анализируя образцы ДНК-метилирования в мозге 21 сиделки и 21 добытчицы, ученые обнаружили 155 областей ДНК с разными шаблонами меток у двух типов пчел. Гены, связанные с метиляционным различием, были главным образом регулирующими, влияющими на статус других генов. „Генные последовательности без этих меток подобны дороге без светофора, с неминуемым затором“, отметил Файнберг.

Как только ученые подтвердили существование различий, они смогли сделать следующий шаг, чтобы определить, постоянны ли эти различия. „Когда в улье слишком мало сиделок, добытчицы без проблем возвращаются к знакомой профессии“, сказала Эмдем. Ученые использовали эту стратегию, чтобы видеть, сохранят ли добытчицы свои генетические метки, когда вновь начнут действовать как сиделки. Исследователи удалили всех сиделок из ульев и подождали несколько недель, чтобы насекомые успели восстановить баланс.

Сделав это, ученые вновь принялись искать различия в образцах ДНК-метилирования, на сей раз между добытчицами, которые сохранили профессию, и теми пчелами, которые стали сиделками. Так было выявлено 107 регионов ДНК, и это предполагает, что эпигенетические метки не постоянны, необратимы и связаны с поведением пчел и фактической жизнью в улье.

Файнберг отметил, что более половины из вновь выявленных областей ДНК были обнаружены ранее среди 155 областей, которые изменяются, когда сиделки становятся добытчицами. Эти 57 участков наиболее вероятно ответственны за различное поведение, представленное добытчицами и сиделками, сказал Эмдем. „Это напоминает одну из тех картин, которая под разным углом зрения демонстрирует разные изображения“, сказала она. „Геном пчелы содержит изображения и сиделок, и добытчиц. Метки на ДНК координируют мозг в соответствии с определенным поведением“.

Ученые надеются, что их результаты помогут пролить свет на сложные поведенческие проблемы у людей, такие как познание, память, реакция на стресс и расстройства настроения — все те, что включают взаимодействие между генетическими и эпигенетическими компонентами. Однако основная генетическая последовательность человека работает на эпигенетических метках, которые могут быть затронуты внешними факторами с созданием стабильных, но обратимых поведенческих шаблонов.

17.09.2012