Несмотря на идентичные генетические инструкции, личинки рабочих пчёл женского пола могут развиться либо в долгоживущих репродуктивных маток, либо в короткоживущих стерильных рабочих особей, которые помогают воспитывать своих сестёр, а не откладывать собственные яйца.
Междисциплинарная группа под руководством исследователей из Пенсильванского государственного университета раскрыла молекулярные механизмы, контролирующие, как конфликт между генами, унаследованными от отца и матери, определяет судьбу личинки.
Они опубликовали свои выводы на этой неделе (18 июня) в издании Genome Biology.
«Представьте, что гены вашей матери и отца постоянно спорят о том, как вам следует развиваться — по сути, это и есть геномный импринтинг. Мы видим, что это происходит в природе: от медоносных пчёл до человека», — сказал Шон Бреснахан, ведущий автор исследования, который проводил исследование в качестве докторанта в рамках Междисциплинарной программы послевузовского образования в области молекулярных, клеточных и интегративных биологических наук в Институте наук о жизни Хака в Пенсильванском государственном университете.
Бреснахан окончил университет в 2024 году и сейчас работает специалистом по работе с данными в Онкологическом центре им. М. Д. Андерсона при Университете Техаса.
«Мы обнаружили, что этот генетический „спор“ можно обнаружить в критический период развития, когда личинка медоносной пчелы становится либо маткой, либо рабочей особью», — сказал Бреснахан.
Это критическое окно закрывается, и судьба пчелы становится необратимой через 192 часа после откладывания яйца. Чтобы различать патренины — гены, унаследованные от отца — и матренины — гены, унаследованные от матери, — соавтор исследования Кейт Антон, научный технолог в Центре исследований опылителей в Пенсильванском государственном университете, использовала инструментальное осеменение для создания определённых генетических скрещиваний между избранными матками и самцами пчёл, известными как трутни.
Исследователи работали с инкубатором геномных исследований Пенсильванского государственного университета, чтобы проанализировать РНК личинок, которая содержит и использует унаследованную генетическую информацию для создания белков и поддержания клеточной активности, и выявить гены, которые были экспрессированы по-разному между двумя группами.
Исследователи также секвенировали геномы родителей и использовали генетические маркеры для отслеживания экспрессии генов в зависимости от происхождения у личинок, то есть они могли видеть, как экспрессия генов различалась в зависимости от того, были ли гены от матери или отца.
«Мы обнаружили, что патренины экспрессировались на более высоком уровне у личинок, предназначенных для развития в матку, а матренины — на более высоком уровне у личинок, предназначенных для развития в рабочую особь», — сказал Бреснахан.
Исследователи изучили клеточные и физиологические пути, чтобы определить, функционируют ли гены, демонстрирующие экспрессию в зависимости от происхождения, в одном и том же пути.
«Мы увидели поразительное совпадение между экспрессией матренинов и патренинов в одном и том же пути», — сказал Бреснахан, объясняя, что если у матренина была повышенная экспрессия, то у патренина была пониженная экспрессия в том же пути, и наоборот, показывая, что два гена работали друг против друга.
«Если один ген демонстрировал специфическую для родителя экспрессию, то другой ген в том же пути демонстрировал специфическую для родителя экспрессию от противоположного родителя», — добавил он.
Ранее команда изучала, является ли метилирование ДНК — процесс, при котором белковые метки изменяют экспрессию гена, не изменяя при этом основную ДНК — молекулярным механизмом, лежащим в основе этих дифференциальных моделей экспрессии генов.
«У млекопитающих и растений дифференциальная экспрессия импринтированных генов — генов, в которых экспрессируется только информация, унаследованная от одного родителя — обычно опосредуется различиями в метилировании ДНК в регуляторных областях, где специфические последовательности ДНК контролируют экспрессию этих генов», — сказала соавтор исследования Кристина Грозинджер, профессор энтомологии имени Публия Вергилия Маро и директор Института наук о жизни Хака.
«Но наша предыдущая работа показала, что метилирование ДНК не выполняет эту функцию у медоносных пчёл», — добавила она.
Исследователи пришли к выводу, что на экспрессию генов у медоносных пчёл могут влиять не метки на ДНК, а метки на структурах, вокруг которых ДНК упаковывается.
ДНК намотана на гистоновые белки в структуре, называемой хроматином. Во время клеточного размножения хроматин конденсируется в хромосомы. Обычно развивающиеся многоклеточные организмы наследуют равное количество хромосом от каждого родителя, обеспечивая пул генов, из которого складывается специфический генетический состав организма.
Команда предположила, что изменения в структуре гистоновых белков — из-за химических «меток», размещённых на хвостах белков в результате клеточных процессов — могут сделать патренины и матренины более или менее доступными для других регуляторных факторов. Такой контроль потенциально может изменить их экспрессию.
Для проверки этой гипотезы команда использовала метод, разработанный соавтором исследования Шоном Махони, доцентом в Центре регуляции эукариотических генов и на кафедре биохимии и молекулярной биологии в Пенсильванском государственном университете.
Процесс включает в себя фрагментацию ДНК, связанной с белком — в данном случае гистоновыми белками — а затем использование антител, специфичных к помеченным белкам, для захвата и выделения этих белков из остальной части хроматина. Исследователи могут затем проанализировать ДНК, сшитую с захваченным белком, и определить, какие гены задействованы и экспрессированы или подавлены.
«Мы обнаружили, что у медоносных пчёл экспрессия в зависимости от происхождения регулируется модификациями гистонов», — сказал Бреснахан.
Он объяснил, что химические метки, модифицирующие гистоновые белки, по-видимому, опосредуют экспрессию патренинов или матренинов и, в конечном итоге, определяют, станет ли медоносная пчела маткой или рабочей особью.
«То, что мы наблюдаем у медоносных пчёл, на самом деле не так уж и необычно, если сделать шаг назад — механизмы, основанные на хроматине, для эффектов, связанных с происхождением от родителей, более широко используются в природе, чем системы, основанные на метилировании ДНК», — сказал Бреснахан.
«Мы видим эти механизмы импринтинга, опосредованные хроматином, у цветковых растений и у плацентарных млекопитающих. Таким образом, медоносные пчёлы и, возможно, другие социальные насекомые могут использовать более древний инструментарий для опосредования этих генетических конфликтов», — добавил он.
Это понимание потенциально может помочь селекционно разводить медоносных пчёл с различным поведением и чертами, что может способствовать производству более продуктивных и устойчивых пчелиных семей, по словам Грозинджера, которая сказала, что её лаборатория планирует изучить, как внутригеномный конфликт влияет на то, насколько хорошо подмножество пчёл, называемых пчёлами-кормилицами, выращивают молодых пчёл, среди других черт.
Бреснахан сказал, что проект выходит за рамки медоносных пчёл, поскольку навыки, полученные для этого проекта, применимы к его текущей работе. В своей новой роли Бреснахан продолжает изучать, как генетические конфликты формируют сложные черты и социальные системы, но теперь он сосредоточен на том, как плацента опосредует черты, связанные со здоровьем матери и ребёнка у людей.
«Навыки, которые я развил, изучая эффекты, связанные с происхождением от родителей, напрямую применяются к моим текущим исследованиям здоровья матери и ребёнка, опосредованного через плаценту», — сказал Бреснахан.
Брок Харпур, доцент кафедры энтомологии в Университете Пердью, также участвовал в этом исследовании.
Предоставлено Пенсильванским государственным университетом.