У муравьев необычайно развитое обоняние, требующее строгого выбора единственного рецептора из сотен возможных каждым сенсорным нейроном. В новом исследовании ученые Нью-Йоркского университета раскрыли механизм, позволяющий муравьям справляться с этой биологической задачей: саморегулирующаяся система, где активация одного гена физически блокирует экспрессию соседних.
Муравьи используют феромоны для координации действий – для охоты, распознавания врагов и распределения ролей в колонии. Без точного контроля работы обонятельных рецепторов социальная структура муравьиной колонии рухнет.
По словам Богдана Серебренникова, первого автора исследования, когда муравьи не способны воспринимать запахи, они теряют ориентацию и не могут выполнять свои функции, что приводит к беспорядку: "Такие муравьи дезориентированы, проявляют агрессию друг к другу. Все начинается с нарушения коммуникации и заканчивается крахом".
Для реализации этой сложной системы у муравьев существует до 500 генов обонятельных рецепторов. Как отмечает Клод Десплан, профессор биологии Нью-Йоркского университета, ведущий автор исследования, обоняние у муравьев развито намного сильнее, чем у людей.
Всем животным, от насекомых до человека, необходимо обеспечивать активацию одного обонятельного гена в каждом нейроне. У мух судьба каждого рецепторного нейрона определяется генетически, предопределяя экспрессию уникального гена рецептора. У мышей, имеющих более чем 1000 генов обонятельных рецепторов, работает сложная система случайного выбора для активации единственного рецептора в каждом нейроне.
Как же муравьи, с их несколькими сотнями генов, активируют только нужный ген запаха в нужном нейроне? Эта проблема особенно сложна, поскольку обонятельные гены муравьев расположены в геномных кластерах, содержащих до 59 генов. Исследователи начали поиск ответа с картирования генной активности в каждом нейроне.
По словам Серебренникова, анализ показал, что некоторые клетки экспрессируют лишь последний ген кластера, другие – два последних, и так далее: "Это напоминало лестницу, что и стало ключом к пониманию механизма".
Обычно транскрипция завершается в конце каждого гена. Однако в геномных кластерах рецепторов муравьев этот процесс не останавливается, а продолжается, захватывая все расположенные ниже гены обоняния. Серебренников метафорически сравнил это с "биологическим бульдозером".
"Вместо остановки после каждого гена, аппарат транскрипции продолжает двигаться, "прорываясь" сквозь барьеры и "заглушая" все нижестоящие гены, не позволяя другим активироваться", – пояснил ученый.
Но что блокирует гены, находящиеся выше по цепи от выбранного рецептора? Оказалось, что выбранный ген синтезирует РНК в обратном направлении (антисмысловую РНК), создавая "бульдозер", движущийся в противоположную сторону и подавляющий транскрипцию вышестоящих генов. Таким образом, случайный выбор гена запускает цепную реакцию, выключающую всех его "соседей".
«“Бульдозеры, не знающие меры”, — неэкономичный способ управления генами, — отметил Серебренников. — Но в ходе эволюции это бывает часто: когда природа находит решение, основанное на случайности, но при этом отвечающее ее цели, оно сохраняется».
«Этот красивый и в то же время неожиданный механизм показывает, как природа может изобрести новую систему, учитывающую правило "один ген на каждый рецепторный нейрон"», — добавил Десплан.
Подобный принцип «случайности, ведущей к эффективности» может быть применим и к человеку. Связи в человеческом мозге зависят от генов протокадгеринов, организованных в геномные кластеры и также подчиняющихся правилу «один ген на нейрон», что обеспечивает правильное формирование нейронных связей.
«У генов протокадгеринов, для подавления экспрессии остальных также используется антисмысловая транскрипция, — пояснил Серебренников. — Это удивительный пример конвергентной эволюции. Муравьи и люди – очень далекие родственники, но схожие проблемы приводят природу к похожим решениям».
Этот механизм – пример эффективности, если не экономии, в природе, считают ученые. И то, что они назвали "бульдозером", – это простое и элегантное решение сложной задачи выбора одного гена. Тот факт, что эволюция выработала аналогичную логику для человеческих протокадгеринов, указывает на фундаментальность этого принципа регуляции генов
Серебренников считает, что это открытие подчеркивает важность принятия неожиданного.
«Можно было бы предположить, что странные сигналы в данных — это просто шум, — говорит Богдан Серебренников. — Однако когда мы обращаем внимание на необычное, странности находят объяснение, что приводит к интересным открытиям».
Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Изображение: индийский прыгающий муравей (Harpegnathos saltator). Авторы: Елена Колумба, Чинг-Хан Ли, Хисын Ян. Источник: phys.org
