Science：表觀遺傳學(xué)實(shí)現(xiàn)行為重編程
日期：2016-01-05 09:32:08
在佛羅里達(dá)木蟻中，大工蟻（majors）和小工蟻（minors）屬于兩個(gè)完全不同的階級(jí)，它們的社會(huì)性行為存在很大差異。賓夕法尼亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些階級(jí)特異性的社會(huì)行為并非一成不變，可以人為地進(jìn)行表觀遺傳學(xué)重編程。這一重要成果發(fā)表在本期的Science雜志上。
表觀遺傳學(xué)修飾可以在不改變DNA序列的情況下調(diào)控基因的活性。這種調(diào)控機(jī)制影響著動(dòng)物的體型、衰老和行為，是近年來(lái)生命科學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。
在此之前，研究人員曾構(gòu)建了首個(gè)螞蟻全基因組表觀遺傳學(xué)圖譜。研究顯示，強(qiáng)壯大工蟻和聰明小工蟻之間的關(guān)鍵區(qū)別在于表觀遺傳學(xué)調(diào)控。大工蟻頭大、上顎發(fā)達(dá)，能與敵人戰(zhàn)斗，也能處理和運(yùn)輸大塊食物。小工蟻體型小數(shù)量多，承擔(dān)著尋找食物的重要職責(zé)，它們會(huì)在大豐收的時(shí)候?qū)で髱椭?。與大工蟻相比，小工蟻的大腦發(fā)育基因和神經(jīng)傳遞基因存在過(guò)表達(dá)。
賓夕法尼亞大學(xué)的Shelley Berger、亞利桑那州立大學(xué)的Juergen Liebig和紐約大學(xué)的Danny Reinberg領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)影響螞蟻的組蛋白乙?；?/font>，直接改變了階級(jí)特異性的覓食行為。他們用化合物抑制組蛋白乙?；奶砑雍腿コ?，改變了附近基因的表達(dá)水平，重編程了螞蟻的覓食行為。
“這些結(jié)果說(shuō)明，螞蟻和其他動(dòng)物的行為可塑性，可能受到了組蛋白乙?；谋碛^遺傳學(xué)調(diào)控，”文章的第一作者Daniel F. Simola說(shuō)。
關(guān)鍵是組蛋白
螞蟻、白蟻以及一些蜜蜂和黃蜂屬于真社會(huì)性（eusocial）昆蟲(chóng)，是研究社會(huì)行為的理想模型。此前的研究表明，組蛋白乙?；茉诨蛲耆嗤膫€(gè)體之間形成很大的基因表達(dá)差異，決定螞蟻不同等級(jí)的體型和繁殖能力。這項(xiàng)研究意味著，螞蟻的階級(jí)性社會(huì)行為也受到組蛋白乙?；目刂?。
高等生物的細(xì)胞核負(fù)責(zé)儲(chǔ)存基因組DNA，這些DNA環(huán)繞著由四種組蛋白組成的八聚體，形成碟狀的核小體結(jié)構(gòu)?；蚪MDNA以這樣的形式包裝成為染色質(zhì)，使DNA受到良好的保護(hù)。但在這種緊密包裝的狀態(tài)下，介導(dǎo)DNA轉(zhuǎn)錄、修復(fù)和復(fù)制的酶難以接觸到DNA，也就無(wú)法執(zhí)行其正常功能。組蛋白乙?；梢愿淖?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，使DNA展開(kāi)。
研究人員讓覓食性小工蟻食用組蛋白去乙酰化的抑制劑，結(jié)果增強(qiáng)了小工蟻的覓食行為，增多了神經(jīng)活性基因附近的組蛋白乙酰化。抑制組蛋白乙酰化會(huì)減少小工蟻的覓食活動(dòng)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這些抑制劑對(duì)成熟大工蟻的覓食行為影響不大。不過(guò)，將表觀遺傳學(xué)抑制劑直接注射到幼年大工蟻的大腦，立刻就能增強(qiáng)其覓食行為，達(dá)到小工蟻正常水平。一次抑制劑處理可以在大工蟻中誘導(dǎo)和保持覓食行為50天。由此可見(jiàn)，幼年螞蟻的大腦存在一個(gè)“表觀遺傳學(xué)脆弱期”，在窗口期之內(nèi)對(duì)環(huán)境操縱更加敏感。
螞蟻具備所有已知的哺乳動(dòng)物表觀遺傳學(xué)主調(diào)控子，可以幫助我們理解“行為甚至長(zhǎng)壽的表觀遺傳學(xué)調(diào)控原則。舉例來(lái)說(shuō)，蟻后的壽命比工蟻長(zhǎng)得多。表觀遺傳學(xué)脆弱期的發(fā)現(xiàn)，為我們提供了探索幼年行為模式建立及其表觀遺傳學(xué)調(diào)控的絕好機(jī)會(huì)。這類(lèi)研究現(xiàn)在越來(lái)越受到重視。”
廣泛的啟示這項(xiàng)研究為人們揭示了一個(gè)重要的蛋白，組蛋白乙?；窩BP。已知CBP能夠促進(jìn)小鼠的學(xué)習(xí)和記憶，而且特定人類(lèi)認(rèn)知障礙（Rubinstein-Taybi綜合征）存在CBP突變。這項(xiàng)研究表明，CBP介導(dǎo)的組蛋白乙?；赡芤采婕傲思棺祫?dòng)物的復(fù)雜社交互動(dòng)。
研究人員指出，CBP促成的組蛋白乙?；Ｊ?，可以加強(qiáng)與習(xí)得行為（比如覓食）有關(guān)的記憶通路。小工蟻和大工蟻之間的CBP活性差異，誘導(dǎo)了不同的基因表達(dá)模式，能對(duì)神經(jīng)元功能進(jìn)行微調(diào)。
“在哺乳動(dòng)物研究中，很明顯CBP是涉及學(xué)習(xí)和記憶的重要蛋白，”Berger強(qiáng)調(diào)。“CBP在螞蟻社會(huì)行為中起到的關(guān)鍵作用，為我們帶來(lái)了廣泛的啟示。”
研究人員正在嘗試精確定義“表觀遺傳學(xué)脆弱期”及其分子特征。“理解這個(gè)窗口的打開(kāi)和關(guān)閉有著深遠(yuǎn)的意義，有助于解釋童年生活經(jīng)歷對(duì)人類(lèi)的巨大影響，”Berger說(shuō)。
