震撼！3篇Cell破解螞蟻社會行為改變之謎

BioArt按：Danny Reinberg教授作為表觀遺傳學領域的傑出學者廣為同行所知，然而或許很多人並不知道他已經從2008年起連續拿到HHMI協同創新獎（HHMI』s Collaborative Innovation Award）經費資助後開始同Shelley Berger等人主要研究起了螞蟻行為學以及表觀遺傳調控在其中的調控作用，近十年的時間裡合作發表了大量的研究論文和綜述，引領了相關領域的發展，為解釋螞蟻的一些社會行為學提供了很好的分子生物學基礎。8月10日，Cell雜誌同時發表了三篇研究論文（Cover Story），共同聚焦關鍵基因對螞蟻社會行為學改變的調控機理。這三篇文章中有兩篇是螞蟻研究「四巨頭」（紐約大學的Danny Reinberg，賓夕法尼亞大學的Shelley Berger和Roberto Bonasio，亞利桑那州立大學的Juergen Liebig）合作完成，Roberto Bonasio（Danny Reinberg過去的博後）是其中一篇文章的唯一通訊作者以及另一篇文章的共同通訊作者，第三篇文章由洛克菲勒大學Daniel J.C. Kronauer和Waring Trible領銜完成。

論文解讀：

為什麼要用螞蟻作為研究對象？螞蟻群體有什麼特別的生物學特徵？帶著這個問我我們首先來了解一下有哪些常見的真社會性昆蟲。

一般來講，廣為人們熟知的真社會性昆蟲主包括蜜蜂（Bee）、螞蟻（Ant）、黃蜂（Wasp）和白蟻（Termite）等（下圖）。

圖片引自：Yan, H., Simola, D. F., Bonasio, R., Liebig, J., Berger, S. L., & Reinberg, D. (2014). Eusocial insects as emerging models for behavioural epigenetics.Nature Reviews Genetics, 15(10), 677-688.

關於蜜蜂的相關研究可能比較常見，而且有關蜂王與工蜂的表觀遺傳學研究目前也有較多的報道。那麼Danny Reinberg教授為何單單選擇了螞蟻來作為研究對象呢？

首先螞蟻和蜜蜂類似，這種群居生物都有所謂的「蟻后」、「蜂王」與「工蟻」、「工蜂」，在基因組上蟻后和工蟻還有蜂王與工蜂是相同，然而他們之間的社會地位以及壽命卻天差地別，那麼這些差異是什麼調控的？表觀遺傳調控在其中扮演什麼樣的角色？

DNA甲基化差異對螞蟻社會行為決定中的調控。引自：Yan, H., Bonasio, R., Simola, D. F., Liebig, J., Berger, S. L., & Reinberg, D. (2015). DNA methylation in social insects: how epigenetics can control behavior and longevity.Annual review of entomology, 60, 435-452.

另外，螞蟻與蜜蜂在社會行為中最大的一個差異是，任何一個工蟻（Harpegnathos saltator，印度跳蟻）在最早先的蟻后死亡或者消失之後都有可能取而代之成為新的蟻后（這種蟻后學術界一般稱之為pseudoqueens）【1】。我們知道只有蟻后才能夠交配產卵，那麼到底是什麼分子機制調控了工蟻向蟻后轉變的這一過程呢？

圖為一隻印度跳蟻從工蟻向pseudoqueen蟻后轉變後產卵的情形。圖片來自Comzit Opachaloemphan拍攝

來自Danny Reinberg、Claude Desplan、Shelley Berger和Juergen Liebig合作的題為「An Engineered orco Mutation Produces Aberrant Social Behavior and Defective Neural Development in Ants」的論文以及Daniel J.C. Kronauer與Waring Trible主導完成的題為「orco Mutagenesis Causes Loss of Antennal Lobe Glomeruli and Impaired Social Behavior in Ants」論文利用CRISPR/CAS9技術在螞蟻（Danny Reinberg他們文章中使用的是印度跳蟻Harpegnathos saltator，而洛克菲勒大學的研究人員使用的是畢氏粗角猛蟻Ooceraea biroi）中敲除一種名為orco(odorant receptor coreceptor，編碼氣味共受體蛋白。螞蟻體內總共大約編碼超過300個氣味受體蛋白，這些蛋白能夠感受不同的氣味分子，但是如果沒有氣味共受體蛋白的協助則無法實現對大多數氣味分子的感知)的基因後，螞蟻的社會行為發生非常顯著的改變，由於orco基因敲除的螞蟻對pheromone（外激素）不再敏感，導致它們不願意去追尋食物、也不願意交流，當然也就不可能成為pseudoqueens（詳見下列視頻）。

在另一篇文章中，來自賓夕法尼亞大學的Roberto Bonasio課題組的研究成果則通過向一種朝pseudoqueen蟻后轉變過程中的螞蟻腦部注射一種名為corazonin的神經肽（通過比較工蟻和轉變成為pseudoqueen的蟻后的轉錄組鎖定的產物，和哺乳動物中的性激素有些相似之處）後能夠抑制它們向pseudoqueen蟻后轉變，其行為而變得更加像工蟻（下圖）。

綜上，這三篇論文殊途同歸，共同揭示了螞蟻群體中一個非常重要社會行為所受到的調控機制，應該說是近年來螞蟻行為學研究領域最重要的突破。當然這得益於CRISPR/CAS9技術在螞蟻基因敲除中的應用，更重要的是有這些為數不多的科學家的合力耕耘，一晃Danny Reinberg、Shelley Berger 、Desplan和Jürgen Liebig 已經精誠合作十年之久了。相信，他們在下一個十年里還會合作做出更好的成果，最終揭示螞蟻系列社會行為改變以及其中的相關表觀遺傳調控背後的神秘面紗。

值得一提的的，Danny Reinberg實驗室最早研究螞蟻的博後Roberto Bonasio如今已經是Shelley Berger在賓夕法尼亞大學建立的表觀遺傳學研究中心的一名PI，這次作為唯一通訊作者單獨發表了一篇論文，正可謂「江山代有人才出」。

最後可能有人會問，研究螞蟻有什麼用？如果在國內研究螞蟻能否申請到經費支持？我想這些答案還是留給讀者去領悟吧。

本期Cell雜誌封面

參考文獻：

1、Yan, H., Simola, D. F., Bonasio, R., Liebig, J., Berger, S. L., & Reinberg, D. (2014). Eusocial insects as emerging models for behavioural epigenetics.Nature Reviews Genetics, 15(10), 677-688.

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