Известно, что внешний вид человека или животного определяется не только генетическими факторами, но и влиянием окружающей среды (или так называемыми эпигенетическими факторами). Как от внешних воздействий, так и от «программы», заложенной в ДНК, зависят рост, цвет кожи, склонность к полноте или её отсутствие, уровень интеллекта, склонность к развитию некоторых заболеваний и многое другое. Если ген, переданный от родителей, определяет присутствие у отпрыска того или иного свойства, то эпигенетические факторы влияют на экспрессию этого гена, а по факту на то насколько сильно проявится у индивида данная унаследованная черта.
Команда исследователей из университета МакГилла в Канаде решила выяснить, каковы биологические основы влияния эпигенетических факторов на развитие организма и проявление у него определённых черт. Как нетрудно догадаться, эта информация позволит учёным в будущем создавать организмы с нужными свойствами (к примеру, коров с большей мышечной массой и сильным иммунитетом).
Однако в ходе нынешней работы модельными животными выступили отнюдь не млекопитающие, а куда более простые насекомые, а именно муравьи вида Camponotus floridanus, также известные как флоридские муравьи-древоточцы. Выбор пал именно на этих созданий в силу присутствия у них определённой особенности.
Эти муравьи, так же как и другие представители надсемейства муравьиных, делят свои обязанности. Матка занимается откладыванием яиц, тогда как рабочие муравьи в колонии берут на себя работу по добыванию пищи, защите колонии от чужаков и паразитов, построению муравейника и так далее.
Однако именно представители вида C. floridanus имеют одно отличие: рабочие муравьи в их колониях делятся на два вида — старших и младших. Младшие, длина тела которых составляет не более 6 миллиметров, взращивают молодь и добывают пропитание. Старшие, которые вдвое больше младших, защищают муравейник от захватчиков и паразитов. При этом представители обоих «классов» не отличаются друг от друга генетически. Отличие лишь в том, как они питаются и живут, то есть в факторах среды.
Исследователи решили изучить влияние факторов среды, определяющих размер тела насекомых и как следствие специализацию муравьёв. Для начала они использовали данные, полученные по результатам секвенирования генома мурашей. Как выяснили исследователи впоследствии, более всего на рост и, соответственно, социальный статус у насекомых оказывает влияние метилирование ДНК.
Тут стоит сделать отступление, чтобы вспомнить, для чего нужно метилирование ДНК. В клетках этот процесс обычно запускается, чтобы дезактивировать различные гены. Последние исследования в области эпигенетики доказали, что метилирование ДНК может влиять на рост у общественных насекомых. Так, ранее учёные выяснили, что сокращение уровня метилирования ДНК у пчелы позволяет вырастить из неё матку.
В ходе эксперимента учёные вводили личинкам муравьёв-древоточцев соединения, которые способствовали увеличению или снижению у них уровня метилирования ДНК. Как и ожидалось, это повлияло как на рост, так и на будущую специализацию насекомых.
При увеличении или снижении степени метилирования гена EGFR, отвечающего за контроль роста, учёные научились варьировать размеры муравьёв, которые генетически почти не отличались друг от друга. То есть из изначально практически одинаковых насекомых исследователи создали целый ряд «близнецов», и каждая последующая особь в этом ряду была больше предыдущей. По сути, выяснилось, что чем ниже степень метилирования EGFR, тем крупнее оказывается «полученное» насекомое.
Как поясняют исследователи, метилирование ДНК как белила, которые художник добавляет в краску на своей палитре, чтобы создать целый спектр оттенков цвета разной интенсивности (цвет в данном случае и есть нужная черта).
Те муравьи, которые получали препараты, увеличивающие уровень метилирования, становились младшими работниками, добывающими пропитание и ухаживающими за молодью. Личинки, которым намеренно снижали уровень метилирования, становились старшими работниками и развивались до соответствующих размеров.
"Мы выяснили, что изменяя степень метилирования одного конкретного гена, в данном случае гена EGFR, который влияет на другие участки ДНК, можно воздействовать на все остальные гены, участвующие в клеточном росте", — рассказывает соавтор исследования Себастиан Альварадо (Sebastian Alvarado) из Стэнфордского университета.
Суть открытия канадских учёных заключается в определении механизмов, посредством которых среда взаимодействует со специфическими генами. Это означает, что внешние факторы имеют такую же степень влияния на черты организма, как и его генетическая «программа».
В будущем данное открытие может привести к разработке эффективной эпигенетической терапии, которая будет влиять на различные черты у людей и животных и позволять получать нужные. Таким образом будет не только совершён прорыв в медицине, но и изменятся принципы ведения сельского хозяйства.
Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Nature Communications.
