Une nouvelle étude de Penn montre que le comportement social chez les fourmis charpentières peut être reprogrammé
En Floride colonies de fourmis charpentières, les castes de travailleurs distincts appelés mineurs et majors présentent des différences marquées dans le comportement social tout au long de leur vie. Dans une nouvelle étude publiée aujourd'hui dans Science, une équipe multi-institution ancrée à l' Université de Pennsylvanie a constaté que ces comportements spécifiques des castes ne sont pas définies dans la pierre. Au contraire, cette étude pionnière montre que le comportement social peut être reprogrammé, indiquant que l'épigénétique d'un individu, pas génétique, le maquillage détermine le comportement dans les colonies de fourmis.
Épigénétique est l'étude des changements stables ou persistants dans l'expression des gènes qui se produisent sans modification de la séquence d'ADN. la régulation épigénétique a été observée pour affecter une variété de traits distincts chez les animaux, y compris la taille du corps, du vieillissement, et son comportement. Cependant, il y a un écart énorme dans les connaissances sur les mécanismes épigénétiques qui régulent le comportement social.
Les fourmis fournissent des modèles idéaux pour étudier le comportement social, parce que chaque colonie est composée de milliers de sœurs individuelles - célèbre, la reine et tous les travailleurs sont des femmes - avec le maquillage génétique presque identique, un peu comme des jumeaux humains. Cependant, ces sœurs possèdent des traits physiques distincts stéréotypie et des comportements basés sur la caste.
Dans une précédente étude, les auteurs ont créé les premières cartes épigénétiques du génome entier chez les fourmis. Il en ressort que la régulation épigénétique est la clé pour les majors distinctives que les soldats "musculeux" des colonies de fourmis charpentières, par rapport aux mineurs, leurs sœurs, petits "brainier". Les grandes fourmis ont de grandes têtes et mandibules puissantes qui aident à vaincre les ennemis et le processus et le transport de gros articles alimentaires. Les fourmis mineures sont beaucoup plus petites, plus nombreuses que les majors de deux à un, et d'assumer la responsabilité importante de la recherche de nourriture et de recruter d'autres fourmis pour aider à la récolte. Par rapport aux majors, ces mineurs butinage ont des gènes impliqués dans le développement du cerveau et de la neurotransmission qui sont surexprimé.
Dans les nouveaux résultats, une équipe de recherche interdisciplinaire menée par auteur principal Shelley Berger, PhD, de l'École Perelman de médecine de l'Université de Pennsylvanie, en collaboration avec les équipes dirigées par Juergen Liebig de l'Arizona State University et Danny Reinberg de l'Université de New York, a constaté que le comportement de recherche de nourriture spécifique caste peut être directement modifiée, en changeant l'équilibre des substances chimiques dites épigénétiques acétyle groupes liés à des complexes de protéines d'histones, autour desquels les brins d'ADN sont encapsulées dans un noyau de cellule. Pour révéler ce contrôle exquis, l'équipe a démontré que le comportement de recherche de nourriture pourrait être reprogrammé en utilisant des composés qui inhibent l'ajout ou la suppression de ces groupes acétyle sur histones (acétylation des histones), à son tour modifier l'expression des gènes à proximité.
Berger est le professeur d'université Daniel S. Och dans les départements de biologie cellulaire et du développement, Biologie et génétique. Elle est aussi le directeur du programme épigénétique Penn.
"Les résultats suggèrent que la malléabilité du comportement chez les fourmis et autres animaux susceptibles, peut être régulée de manière épigénétique via la modification des histones», a déclaré le principal auteur Daniel F. Simola, PhD, chercheur postdoctoral au Département Penn de biologie cellulaire et développementale. Simola est co-auteur principal avec Riley Graham, étudiant au doctorat dans le laboratoire Berger.
Il est tout au sujet du Histone
La collaboration presque depuis dix ans entre les laboratoires Berger, Liebig et Reinberg, soutenu par le Howard Hughes Medical Institute, allie la biologie moléculaire avec les observations du comportement des animaux pour comprendre comment les différences de castes surviennent chez les fourmis.
Les fourmis, ainsi que les termites, et quelques abeilles et les guêpes, sont des espèces eusocial (ou «vraiment sociaux»). Des travaux antérieurs a suggéré que l'acétylation des histones pourrait créer des différences spectaculaires dans l'expression des gènes entre individus génétiquement identiques, ce qui contribue aux différences physiques dans la taille du corps et la capacité de reproduction entre les castes de fourmis.
L'étude actuelle se développe sur ce récit en montrant que les comportements de caste sont également réglementés par des changements épigénétiques dans l'acétylation des histones. Pour ce faire, l'équipe a utilisé le fait que la structure de la chromatine - l'enroulement de l'ADN autour de protéines histones - peut être modifiée par l'ajout de groupes acétyle, ce qui change finalement le compactage du génome. Des modifications telles que l'acétylation des histones permettent d'ADN à se dérouler, alors que d'autres provoquent l'ADN pour devenir compact étanche et inaccessible aux protéines qui régulent l'expression génique.
Sachant que les modifications des histones sont utilisées pour établir des caractéristiques spécifiques des différents tissus au sein d'un individu a dirigé l'équipe de se demander si les modifications des histones pourraient également être utilisés pour créer des différences de traits comme le comportement social entre les individus, notamment les majors musculeux et les mineurs intellos.
Dans l'article de Science, l'équipe de recherche de nourriture nourri mineurs un inhibiteur chimique qui empêche les cellules de l’élimination des groupes acétyle des histones. Ce traitement amélioré recherche de nourriture et le dépistage de la nourriture, et en conséquence, a conduit à une augmentation de l'acétylation des histones près de gènes impliqués dans l'activité neuronale. A l'inverse, l'inhibition de l'addition de groupes acétyle, a conduit à la recherche de nourriture a diminué l'activité.
Contrairement à la poussée spectaculaire de butinage vu des mineurs, l'alimentation des travailleurs majeurs matures ces inhibiteurs ont causé peu ou pas d'augmentation de la recherche de nourriture. Cependant, l'équipe a constaté que l'injection directe de ces inhibiteurs épigénétiques dans le cerveau des très jeunes majors immédiatement accrues butinage, atteignant des niveaux normalement observés chez les mineurs. En outre, un seul traitement avec ces inhibiteurs était suffisante pour induire et maintenir la recherche de nourriture mineure comme dans les grandes maisons de disques pour un maximum de 50 jours. Ces résultats suggèrent qu'il existe une "fenêtre épigénétique de vulnérabilité» dans les jeunes cerveaux de fourmis, ce qui confère une sensibilité accrue à des manipulations environnementales, telles que des inhibiteurs d'histone-modification.
Berger observe que tous les gènes connus pour être les principaux régulateurs épigénétiques chez les mammifères sont également présents chez les fourmis, ce qui rend les fourmis "un modèle fantastique pour étudier les principes de modulation épigénétique du comportement et même la longévité, parce que les reines ont une durée de vie beaucoup plus longue par rapport à la travailleurs majeurs et mineurs. en raison de la fenêtre remarquable que nous avons découvert, les fourmis fournissent aussi une occasion extraordinaire d'explorer et de comprendre les processus épigénétiques qui entrent en jeu pour établir des modèles de comportement à un jeune âge. Ceci est un sujet d'intérêt croissant de la recherche chez l'homme , en raison de la prévalence croissante des troubles et des maladies du comportement et de l'appréciation que le régime alimentaire peut influer sur le comportement. "
Implications plus larges
Un gène important impliqué dans l'étude fourmi CBP, qui est un «écrivain» épigénétique enzyme qui modifie la chromatine en ajoutant des groupes acétyles à histones. Le CBP a déjà été impliquée comme une enzyme pour faciliter l'apprentissage et la mémoire chez les souris critique et est muté dans certains troubles cognitifs humains, notamment de Rubinstein-Taybi syndrome. Par conséquent, les résultats de l'équipe suggèrent que le CBP médiée par acétylation des histones peut également faciliter les interactions sociales complexes trouvés dans les espèces de vertébrés.
Les auteurs soupçonnent que le rôle du CBP comme une enzyme écrivain épigénétique contribue aux modèles de l'acétylation des histones qui améliorent les voies de mémoire liés à des comportements appris, tels que la recherche de nourriture. Les différences dans l'activité CBP entre castes mineures et majeures peuvent guider les modèles uniques de l'expression des gènes que d'affiner les fonctions neuronales pour chaque caste.
"Des études de mammifères, il est clair que c'est une protéine importante impliquée dans l'apprentissage et la mémoire", a noté Berger. "La constatation que le CBP joue un rôle clé dans l'établissement de comportements sociaux distincts chez les fourmis suggère fortement que les découvertes faites dans les fourmis peuvent avoir de larges implications pour la compréhension de l'organisation sociale."
L'équipe Berger se concentre maintenant sur la définition précise de la «fenêtre épigénétique de vulnérabilité» et ses caractéristiques moléculaires clés. Elle explique que «la compréhension des mécanismes de quand et comment cette fenêtre est ouverte et comment les changements sont soutenus - et pourquoi la fenêtre se ferme comme les principaux âges de fourmis - peut avoir des implications profondes pour expliquer la vulnérabilité humaine aux expositions précoces de la vie."
