Общество, построенное на обонянии: как муравьи поддерживают соответствие между нейронами и обонятельными рецепторами

от

Общества муравьёв основаны на обонянии. Феромоны помогают насекомым находить пищу, предупреждают их о хищниках и регулируют ритмы колоний. Эта система химической коммуникации подчиняется простому правилу: один рецептор — один нейрон.

Геномы муравьёв содержат сотни генов, кодирующих обонятельные рецепторы, каждый из которых настроен на определённые химические вещества. Если бы нейрон одновременно экспрессировал несколько рецепторов, поступающие в мозг сигналы были бы искажены, и муравей потерял бы тонкое обоняние.

Учёные, работающие с муравьём-разведчиком клональным, обнаружили уникальный процесс, с помощью которого каждый нейрон выбирает один обонятельный рецептор из обширной библиотеки генов. Результаты исследования, опубликованные в Current Biology, раскрывают давнюю тайну того, как муравьи поддерживают чёткость сенсорных сигналов.

«Мы описываем новую форму регуляции генов», — говорит Даниэль Кронауэр, руководитель Лаборатории социальной эволюции и поведения в Рокфеллеровском университете. «Наши результаты демонстрируют важность изучения менее традиционных модельных видов. Мы смогли обнаружить новые фундаментальные молекулярные явления у муравьёв-разведчиков клональных, которые не увидели бы у плодовых мушек».

Центральный принцип обоняния заключается в том, что у каждой нервной клетки должен быть свой молекулярный «паспорт». «Это своего рода догма в области сенсорной нейронауки», — говорит Джакомо Глоццер, аспирант в лаборатории Кронауэра. «Каждая сенсорная нервная клетка обычно экспрессирует один рецептор — и это определяет её идентичность».

Разные виды решают задачу «один рецептор — один нейрон» по-разному. Плодовые мушки используют молекулярные переключатели, которые включают или выключают отдельные гены, обеспечивая появление только одного рецептора из каждой сенсорной нервной клетки. Млекопитающие используют более хаотичный подход: каждая нервная клетка случайным образом перетасовывает свой хроматин, пока не останется доступным только один ген рецептора.

Однако было неизвестно, используют ли муравьи стратегию, более похожую на муху или мышь, или совершенно иную стратегию. В отличие от плодовых мушек, которые обходятся примерно 60 обонятельными рецепторами, у муравьёв их несколько сотен — по масштабам это сопоставимо с млекопитающими. И многие из их рецепторов сгруппированы в кластеры почти идентичных генов.

В такой «переполненной» обстановке включение одного гена может случайно активировать другие. Простая стратегия, подобная той, что используется у плодовых мушек, может не подойти для сложного обоняния муравья, предполагая, что муравьи поддерживают соотношение 1:1 другим способом.

Основываясь на фундаментальной статье по этой теме, опубликованной командой в 2023 году, лаборатория поставила перед собой задачу зафиксировать этот неуловимый механизм в действии. После изучения тканей усиков муравьёв-разведчиков клональных команда использовала секвенирование РНК, чтобы определить, какие гены были включены, и гибридизацию РНК с флуоресценцией in situ, чтобы локализовать эти гены в усиках муравья.

Затем они использовали многочисленные передовые молекулярные и вычислительные методы для создания чёткого изображения одного выбранного рецептора, окружённого его «успокоившимися» соседями.

Они обнаружили, что, когда нейрон муравья включает выбранный ген рецептора, он не останавливается на этом. РНК-полимераза — механизм, копирующий ДНК в РНК, — продолжает движение за пределы нормального конца гена, проникая в гены, расположенные ниже по течению от целевого. Эти «прочтённые» транскрипты остаются в ловушке в ядре, вероятно, из-за отсутствия уникального маркера, необходимого для экспорта.

Авторы предполагают, что эти транскрипты нефункциональны, но именно их производство подавляет нижележащие гены. Тем временем нейрон также генерирует «антисенсорные» РНК в другом направлении. Полимераза здесь действует как блокпост, подавляя вышележащие гены, которые в противном случае могли бы активироваться.

В результате вокруг выбранного гена рецептора образуется защитный генетический щит. «Когда мы разобрали механизм и разобрали его на составляющие части, мы обнаружили, что эта стратегия служит для подавления локальной геномной среды, придавая клетке её уникальную идентичность рецептора», — говорит Парвиз Даниэль Хейази Пастор, биомедицинский сотрудник лаборатории Кронауэра. «Наши выводы сосредоточены вокруг транскрипционной интерференции — нейрон выбирает один рецептор, предотвращая истинную транскрипцию других рецепторов как выше, так и ниже по течению».

Команда подтвердила, что тот же механизм работает и у других социальных насекомых, включая индийского прыгающего муравья и медоносную пчелу. Эти результаты позволяют предположить, что многие насекомые, как социальные, так и не социальные, используют транскрипционную интерференцию для поддержания соотношения 1:1 между рецепторами и нейронами.

«Этот механизм может быть даже более распространённым, чем мы думали, особенно среди видов насекомых с большим репертуаром генов обонятельных рецепторов», — говорит Кронауэр. «Возможно, плодовые мушки — это исключение».

Результаты выходят далеко за рамки обоняния насекомых. Показывая, что тесные кластеры родственных генов могут регулироваться двусторонними защитными механизмами — прочтением, которое успокаивает нижележащих соседей, и антисенсорной транскрипцией, которая блокирует вышележащих, — эта работа предлагает план того, как геномы могут контролировать большие семейства генов.

Результаты также указывают на потенциальный механизм, объясняющий, как муравьи быстро расширяют своё обоняние за относительно короткое время эволюции. Описанные в статье результаты могут позволить интегрировать недавно продублированные гены рецепторов в сенсорную систему без необходимости коэволюции дополнительных регуляторных механизмов.

«Как только у вас появится такая система, вы сможете позволить ей усложняться, не нарушая ничего», — говорит Кронауэр. «Мы предполагаем, что такая система регуляции генов способствует тому, что муравьи могут так быстро эволюционировать новые обонятельные рецепторы».

Предоставлено Рокфеллеровским университетом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте