蚂蚁DNA甲基化与其社会等级分化之间的关系

【字体: 时间:2012年08月22日 来源:华大基因

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  研究首次从全基因组单核苷酸水平上探究了蚂蚁的DNA甲基化与其社会等级分化之间的关系,并深入解析了蚂蚁DNA甲基化的特征,为蚂蚁的社会行为学等研究奠定了重要遗传学基础,对了解人类社会行为及衰老机制也具有重要的参考价值。

  

2012年8月22日,由纽约大学医学院、深圳华大基因研究院等多家单位联合完成的蚂蚁DNA甲基化研究成果在国际知名杂志《细胞》的子刊——《当代生物学》(Current Biology)上发表。该研究首次从全基因组单核苷酸水平上探究了蚂蚁的DNA甲基化与其社会等级分化之间的关系,并深入解析了蚂蚁DNA甲基化的特征,为蚂蚁的社会行为学等研究奠定了重要遗传学基础,对了解人类社会行为及衰老机制也具有重要的参考价值。

蚂蚁是群居性昆虫,在它们的社会中等级森严,分工细致,有专门负责产卵和繁殖后代的蚁后,有负责建造蚁巢、采集食物和饲养幼虫的工蚁,还有专职与蚁后交配的雄蚁。同一蚁群内的蚂蚁个体拥有着相同的遗传物质,但对于不同等级的个体,它们在行为和形态上差异极大。科研人员推测蚂蚁等级分化的过程可能与干细胞分化有点类似,其中表观调控机制很可能在蚂蚁的社会等级分化中起着重要作用。

在本研究中,科研人员分别对处于不同社会等级和发育阶段的佛罗里达弓背蚁(Camponotus floridanus)和印度跳蚁(Harpegnathos saltator)进行了DNA甲基化研究。他们发现在蚂蚁的不同发育阶段,不仅CpG位点发生了甲基化,而且不少非CpG位点也发生了甲基化。对于这种非CpG位点发生甲基化的情况,过去仅在具有很高甲基转移酶活性的小鼠和人胚胎干细胞中发现过。研究人员发现幼年蚁和成年蚁中的非CpG位点都发生了甲基化,这暗示非CpG位点甲基化可能与蚂蚁的某些重要生物学功能相关。此外,研究人员还发现蚂蚁的DNA甲基化多发生在转录活跃的基因的外显子区域,特别是基因的第二个外显子上。外显子区域DNA甲基化的差异可能与可变剪切相关,比如外显子跳跃以及剪切位点的选择,从而影响到基因表达。

虽然两种蚂蚁在1亿多年前就已经分化了,但研究人员发现某些与等级分化及发育变化相关的差异甲基化基因在这两种不同的蚂蚁中是保守的,例如与繁殖、端粒维持和非编码RNA代谢调控等相关的一些基因。此外,他们还发现某些基因位点发生了单等位基因甲基化,而且对于个别基因位点,哪个等位基因发生甲基化取决于蚂蚁的社会等级。在脊椎动物中,单等位基因甲基化是重要的表观遗传学现象——基因组印迹的基础,但在无脊椎动物中,目前尚未有发现。本研究中所发现的单等位基因甲基化现象,为蚂蚁的社会等级分化及社会行为学研究提供了新的视角。

华大基因该项目负责人李启业表示:“该项目是继2010年发表的弓背蚁和印度跳蚁基因组成果后的又一重要研究成果,我们深入研究比较了这两种蚂蚁不同发育阶段不同社会等级样品的DNA甲基化特征,发现了许多在蚂蚁中保守而有趣的甲基化模式,并证实了DNA甲基化调控对蚂蚁等级分化的重要作用。后续,我们将会继续探讨其他调控机制,如RNA编辑、非编码RNA等对蚂蚁社会分工的影响。”

纽约大学医学院霍华德休斯医学研究所和生物化学系Roberto Bonasio教授表示:“这是首次在蚂蚁中进行的全基因组甲基化研究。由于工蚁和蚁后在行为和寿命等方面均具有显著的表型多样性,表观遗传调控机制应在决定蚂蚁等级分化及其所扮演的蚁群角色中起着关键作用。本次完成的首个蚂蚁表观遗传图谱有助于深入理解同一蚁群中拥有相同基因组的蚂蚁是如何分化成不同的等级。”

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