基因|《细胞》：从“打工人”变身“女王”，竟然如此简单？细胞|神经元

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和人类一样，蚂蚁属于社会性动物。个体渺小但数量众多的蚂蚁集合成群体，征服了地球的角角落落。
蚂蚁们在群体中分工明确，各司其职。有些属于“职虫” ，负责外出觅食、对抗入侵者；有的被称为“女王” ，主要任务是在家生产后代；这些不同的身份被称为不同的社会等级（caste）。蚂蚁的等级往往在其幼虫发育阶段就定了下来。不过，跳镰猛蚁（Harpegnathos saltator）有点特别，它们在成年阶段仍有可能转变自己的等级。当蚁群中的女王死去或被人为移除，职虫们会进行激烈的决斗，最终的获胜者转变社会角色，不再干职虫的活儿，而是展现出繁殖能力和对其他职虫的指挥，与此同时还伴随着寿命长达5倍的延长。
【基因|《细胞》：从“打工人”变身“女王”，竟然如此简单？】
▲一只跳镰猛蚁张开颚展示自己的凶悍（图片来源：参考资料[2
；Credit：Karl Glastad /Berger Lab ， CC BY-SA）
尽管行为的转变是巨大的，但调控这种复杂转变的开关却出人意料的简单——仅仅只需一种蛋白在大脑中“打开”和“关闭”不同的基因。近日，宾夕法尼亚大学的科学家在顶尖学术期刊《细胞》上报告了他们的发现。 Roberto Bonasio博士是这项研究研究的通讯作者之一，他说：“动物大脑有可塑性，也就是说，可以根据环境改变自己的结构和功能。同样的过程也发生在人类的大脑中——想想青春期的行为变化吧。 ”
在转变身份的蚂蚁体内，有两种激素的浓度发生了很大变化，即保幼激素（简称JH）和蜕皮激素（简称E），这些激素的变化对于蚂蚁生殖能力有直接的影响。
有意思的是，科学家们发现，这些激素也让蚂蚁的神经细胞发生了变化。他们开发了一种新的实验方法，分离出蚂蚁的神经细胞，放在培养皿中培养，探索这些神经元在不同的激素环境下表达的基因有什么差异。
▲体外培养蚂蚁的神经元（图片来源：参考资料[1
）
实验结果表明，处于不同的等级时，蚂蚁神经元中有2000多个基因的激活模式不一样，这些基因的功能涵盖了发育、代谢和神经元功能等。然而令人意外的是，这些差异并非由两套系统分别指挥，而是可以归结到同一个名为Kr-h1的转录因子。具体来说， Kr-h1起到了转录抑制剂的作用，在不同的激素水平下，它结合在DNA的不同位置，关闭不同基因。
▲研究示意图：一个开关，让蚂蚁的大脑从一种基因表达模式转变为另一种模式，社会等级及其相应行为也发生转笔（图片来源：参考资料[1
）
“Kr-h1可以防止蚂蚁做出与身份不匹配的社会行为，是维持等级界限所必需的，确保了职虫一直干活，而职虫一旦转变身份则可以像女王一样。 ”共同通讯作者Shelley Berger博士这样总结Kr-h1的作用。 “换句话说，不同的身份已经部分写入了基因组，扮演哪个角色取决于打开或关闭哪个基因开关。 ”Bonasio博士补充说。
图片来源：123RF
这个发现也让我们对大脑的可塑性可以有更深的认识：在蚂蚁身上，基因组中包含了多种行为模式，而对一个分子进行调控，就可能对蚂蚁的行为产生重大影响；在比蚂蚁更复杂的大脑中，很有可能也有类似的蛋白质，具有这样四两拨千斤的作用。 “找到这样的蛋白质，或许我们将来就可以利用它帮助衰老的大脑恢复可塑性。 ”研究人员计划在未来的研究中，探索Kr-h1在其他生物体中的作用，研究这种蛋白质和其他类似蛋白质的双重功能如何调节。从认识蚂蚁到造福人类，这正是科学的奇妙之处。