印度跳蟻

低等工蟻變「母儀天下」蟻后 原來與這個蛋白質有關

雖然大多數螞蟻物種在巢穴內出生時都無能力攀上更高的社會階級,但印度跳蟻 (Harpegnathos saltator) 卻有點不同。該物種的蟻后去世時,巢穴內的工蟻會為誰來接替位置而進行決鬥(或被擁立),最終勝出的工蟻成為「母儀天下」的生殖工蟻 (gamergates) ,並會下令其他工蟻接替其原本覓食工作,轉而花時間繁殖和產卵,基本上接管了蟻后的角色。

今年上半年曾有研究表明,這些「偽蟻后」會在成為群族的權力最高峰時,腦容量縮小近五分之一,壽命也比其他螞蟻工蟻長約 5 倍。不過當時無了解到究竟是甚麼觸發了這種令人難以置信的身體轉變。

賓夕法尼亞大學分子生物學家 Roberto Bonasio 在大學聲明中解釋,動物大腦有可塑性,可以根據環境改變其結構和功能,而這過程也會在人的大腦中發生,例如青春期行為的變化,這都對生存是關鍵的,但控制這種變化的分子機制一直未明。

在刊於《細胞》的研究中, Bonasio 的團隊就以印度跳蟻進行一系列實驗,令牠們的神經元暴露於不同水平的荷爾蒙,以探索大腦的可塑性。團隊集中分析兩種簡稱為 JH3 和 20E 的荷爾蒙上,兩者都被認為可以調節螞蟻甚至其他一些社會性昆蟲,例如如蜜蜂的社會行為。

在研究中,當向印度跳蟻大腦注射 JH3 的類似物時,團隊發現該些物質會降低印度跳蟻的覓食活動。另一方面,當將 20E 注入大腦時,則會刺激印度跳蟻卵巢激活。

研究結果表明,這些荷爾蒙的訊號路徑決定了印度跳蟻的社會地位轉變。通過分離印度跳蟻大腦中的特定神經元,團隊在實驗室中更詳細地測試了這種機制如何發揮作用,並發現該兩種社會荷爾蒙似乎最終都通過激活一種稱為 Kr-h1 (Krüppel homolog 1) 的蛋白質因子來影響螞蟻神經元。

簡單而言, Kr-h1 就像電燈開關,荷爾蒙就是手指,可以開或關閉蟻的大腦狀態。

這些荷爾蒙似乎也會影響 Kr-h1 最終與印度跳蟻神經元細胞內的哪些基因結合。

在工蟻體內, Kr-h1 似乎結合併抑制了與「偽蟻后」有關的基因;相反在「偽蟻后」中,該蛋白質似乎則抑制了與工蟻相關的基因表達路徑。當 Kr-h1 從印度跳蟻的神經元中完全刪除時,團隊發現「偽蟻后」開始表現得像工蟻,而工蟻則變得似「偽蟻后」。

Bonasio 指無預料到相同的蛋白質可以使不同階級的蟻大腦中的不同基因沉默,從而抑制不同蟻的相反行為。他又表示,曾以為是有兩個以上因素會影響這些表達,但發現令團隊意外!

團隊會有更多研究進一步確定機制,並嘗試調查 Kr-h1 的這種作用是否存在於共享類似神經荷爾蒙的其他社會生物中。

報告:
Gospocic, J., Glastad, K.M., Sheng, L.H. & et al. (2021). Kr-h1 maintains distinct caste-specific neurotranscriptomes in response to socially regulated hormones. Cell published 4 Nov 2021. doi: 10.1016/j.cell.2021.10.006

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