Геном муравья ответил на человеческие вопросы

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 (New York University). 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.