Технология CRISPR/Cas9 сделала муравьев асоциальными

Исследователи из Университета Рокфеллера применили технологию CRISPR/Cas9 на муравьях, чтобы отредактировать гены, отвечающие за восприятие запаха. Ученые получили доказательства в пользу того, что запах позволяет муравьям не только ориентироваться в пространстве, но и выстраивать сложные социальные отношения. Кроме того, выбивание «гена обоняния» повлекло за собой изменения в структурах мозга. Результаты опубликованы в журнале Cell.

Муравьи способны к сложной социальной организации, разделению труда, и кооперации для выполнения задач, непосильных для отдельной особи. Считается, что феромоны позволяют этим насекомым вести столь сложную социальную жизнь и обмениваться информацией, но точные механизмы социального взаимодействия муравьев с помощью феромонов до сих пор слабо изучены. Известно, что у дрозофил за восприятие феромонов отвечает несколько семей химических рецепторов, типичных для насекомых, но одна из них у муравьев особенно хорошо развита — репертуар обонятельных рецепторов (ORs) у них значительно шире. Исследователи предположили, что именно они играют особую роль в социальном поведении.

Чтобы удостовериться в этом, нужно отключить все обонятельные рецепторы насекомых, и это оказалось возможным с помощью технологии CRISPR/Cas9: в данном случае, достаточно было отключить лишь один ген, orco, необходимый в работе каждого из 350 обонятельных рецепторов муравьев. Также для исследования было необходимо воспроизвести достаточное количество лишенных обоняния мутантов, и на помощь пришли муравьи вида Ooceraea biroi, способные к партеногенезу — самки откладывают яйца без участия самца, в результате чего можно вывести целое поколение генетически идентичных насекомых. Ученые отредактировали геном муравья еще в яйце, а затем выращивали потомков, которые унаследовали мутацию и их данные вошли в результаты исследования.

Отсутствие рецепторов обоняния должно было как-то отразиться на поведении животных и на их нервной системе: на усиках муравьев есть ольфакторные сенсорные нейроны (OSNs), которые обнаруживают молекулы запаха и передают информацию в мозг, а в мозге есть область (антенная доля), принимающая сигнал. Сначала ученые решили удостовериться, что у мутантов отсутствует белок orco, для этого его пометили флуоресцентным красителем. Как и ожидалось, у orco-мутантов следов белка не обнаружилось, а кроме того, у них отсутствовала большая часть ольфакторных сенсорных нейронов. Изменения структур мозга наблюдали при помощи конфокальной микроскопии. Объем региона, принимающего сигнал от антенн, у мутантов оказался меньше на треть, и около 82% гломерул (образований дендритов) было потеряно.

Серия тестов позволила оценить и поведенческие изменения у муравьев-мутантов. Например, мутанты не реагировали на аверсивные стимулы, меньше следовали феромонным следам других муравьев (эти тесты проводились в смешанных группах), и демонстрировали «блуждающее поведение» — вместо того, чтобы формировать кластеры вместе с другими муравьями, лишенные обоняния особи бродили в одиночестве, и по такому поведению вычислить колонии, в которых обитали мутанты, оказалось нетрудно. Кроме того, мутация отрицательно повлияла на продолжительность жизни муравьев, и на количество отложенных яиц.

Авторы подчеркивают, что несмотря на значительные отличия в поведении orco-мутантов, нельзя сказать, что они оказались полностью исключены из социальной жизни. Многие из них все-таки откладывали яйца, прикасались к сородичам своими антеннами и выражали сигналы тревоги.

Судя по результатам исследования, отключение рецепторов обоняния в самом деле мешают муравьям ориентироваться по запаху, следовать феромонным тропам и полноценно участвовать в социальной жизни колонии. По сравнению с другими насекомыми, у которых рецепторов обоняния не так много, orco-мутация у муравьев повлекла гораздо большие изменения в нейроанатомии особей. Обоняние уже отключали у дрозофил, москитов и саранчи, но только у муравьев это спровоцировало столь значительные изменения в структурах мозга, тогда как поведенческие паттерны во многом повторяются.

Авторы считают, что сложные обонятельные системы должны полагаться на работу рецепторов: когда рецепторы не работают, ольфакторные сенсорные нейроны либо не развиваются, либо рано погибают, и, в результате, соответствующие структуры мозга образуют фенотип, который и был обнаружен у муравьев-мутантов. И, вероятно, именно развитые обонятельные структуры мозга и делают возможным сложное социальное поведение муравьев. Тем не менее, многое еще предстоит выяснить — например, почему часть гломерул все-таки присутствует у мутантов, или почему лишенные обоняния муравьи все-таки способы к некоторым социальным взаимодействиям, а также объяснить возникновение обнаруженного нейроанатомического фенотипа.

Ранее мы писали о том, какая разница между королевой и рабочим, как муравьи передают друг другу гормоны, определяя их место в колонии, и о том, как взрослые муравьи могут менять свою роль при выполнении задания. Проверить свои знания о муравьях и узнать любопытные факты о них можно в нашем тесте.

Анна Зинина