Science：表觀遺傳學實現行為重編程

日期：2016-01-05 09:32:08

在佛羅里達木蟻中，大工蟻（majors）和小工蟻（minors）屬于兩個完全不同的階級，它們的社會性行為存在很大差異。賓夕法尼亞大學領導的研究團隊發現，這些階級特異性的社會行為并非一成不變，可以人為地進行表觀遺傳學重編程。這一重要成果發表在本期的Science雜志上。

表觀遺傳學修飾可以在不改變DNA序列的情況下調控基因的活性。這種調控機制影響著動物的體型、衰老和行為，是近年來生命科學領域的一大研究熱點。

在此之前，研究人員曾構建了首個螞蟻全基因組表觀遺傳學圖譜。研究顯示，強壯大工蟻和聰明小工蟻之間的關鍵區別在于表觀遺傳學調控。大工蟻頭大、上顎發達，能與敵人戰斗，也能處理和運輸大塊食物。小工蟻體型小數量多，承擔著尋找食物的重要職責，它們會在大豐收的時候尋求幫助。與大工蟻相比，小工蟻的大腦發育基因和神經傳遞基因存在過表達。

賓夕法尼亞大學的Shelley Berger、亞利桑那州立大學的Juergen Liebig和紐約大學的Danny Reinberg領導團隊，通過影響螞蟻的組蛋白乙?；?/font>，直接改變了階級特異性的覓食行為。他們用化合物抑制組蛋白乙酰化的添加和去除，改變了附近基因的表達水平，重編程了螞蟻的覓食行為。

“這些結果說明，螞蟻和其他動物的行為可塑性，可能受到了組蛋白乙?；谋碛^遺傳學調控，”文章的第一作者Daniel F. Simola說。

關鍵是組蛋白

螞蟻、白蟻以及一些蜜蜂和黃蜂屬于真社會性（eusocial）昆蟲，是研究社會行為的理想模型。此前的研究表明，組蛋白乙?；茉诨蛲耆嗤膫€體之間形成很大的基因表達差異，決定螞蟻不同等級的體型和繁殖能力。這項研究意味著，螞蟻的階級性社會行為也受到組蛋白乙酰化的控制。

高等生物的細胞核負責儲存基因組DNA，這些DNA環繞著由四種組蛋白組成的八聚體，形成碟狀的核小體結構?；蚪MDNA以這樣的形式包裝成為染色質，使DNA受到良好的保護。但在這種緊密包裝的狀態下，介導DNA轉錄、修復和復制的酶難以接觸到DNA，也就無法執行其正常功能。組蛋白乙?；梢愿淖內旧|結構，使DNA展開。

研究人員讓覓食性小工蟻食用組蛋白去乙酰化的抑制劑，結果增強了小工蟻的覓食行為，增多了神經活性基因附近的組蛋白乙?；?。抑制組蛋白乙?；瘯p少小工蟻的覓食活動。

研究人員發現，這些抑制劑對成熟大工蟻的覓食行為影響不大。不過，將表觀遺傳學抑制劑直接注射到幼年大工蟻的大腦，立刻就能增強其覓食行為，達到小工蟻正常水平。一次抑制劑處理可以在大工蟻中誘導和保持覓食行為50天。由此可見，幼年螞蟻的大腦存在一個“表觀遺傳學脆弱期”，在窗口期之內對環境操縱更加敏感。

螞蟻具備所有已知的哺乳動物表觀遺傳學主調控子，可以幫助我們理解“行為甚至長壽的表觀遺傳學調控原則。舉例來說，蟻后的壽命比工蟻長得多。表觀遺傳學脆弱期的發現，為我們提供了探索幼年行為模式建立及其表觀遺傳學調控的絕好機會。這類研究現在越來越受到重視。”

廣泛的啟示這項研究為人們揭示了一個重要的蛋白，組蛋白乙?；窩BP。已知CBP能夠促進小鼠的學習和記憶，而且特定人類認知障礙（Rubinstein-Taybi綜合征）存在CBP突變。這項研究表明，CBP介導的組蛋白乙?；赡芤采婕傲思棺祫游锏膹碗s社交互動。

研究人員指出，CBP促成的組蛋白乙?；Ｊ?，可以加強與習得行為（比如覓食）有關的記憶通路。小工蟻和大工蟻之間的CBP活性差異，誘導了不同的基因表達模式，能對神經元功能進行微調。

“在哺乳動物研究中，很明顯CBP是涉及學習和記憶的重要蛋白，”Berger強調。“CBP在螞蟻社會行為中起到的關鍵作用，為我們帶來了廣泛的啟示。”

研究人員正在嘗試精確定義“表觀遺傳學脆弱期”及其分子特征。“理解這個窗口的打開和關閉有著深遠的意義，有助于解釋童年生活經歷對人類的巨大影響，”Berger說。