隐藏的基因技巧让蚂蚁的嗅觉超级精确

研究人员揭示了蚂蚁如何保持其强大的嗅觉清晰：通过使用一种基因保护，使周围的受体基因沉默。这一发现不仅解决了一个长达数十年的谜题，还揭示了蚂蚁是如何快速进化出新的嗅觉能力的。

　　

蚂蚁的社会是建立在气味之上的。信息素引导昆虫寻找食物，警告它们有捕食者，并调节它们聚居地的节奏。这种化学通讯系统由一个简单的规则控制：一个受体，一个神经元。蚂蚁的基因组包含数百个气味受体基因，每个基因都编码一种针对特定化学物质的受体。如果一个神经元同时表达多个受体，到达大脑的信息就会被打乱，蚂蚁就会失去灵敏的嗅觉。

现在，研究克隆攻击蚁的科学家们发现了一个独特的过程，即每个神经元从庞大的基因库中选择一个单一的气味受体。这一发现发表在《Current Biology》杂志上，解决了蚂蚁如何保持感官信号清晰的长期谜团。

“我们正在描述一种基因调控的新形式，”洛克菲勒大学社会进化与行为实验室的负责人丹尼尔·克罗诺尔（Daniel Kronauer）说。“我们的研究结果证明了研究不那么传统的模式物种的重要性。我们能够在克隆攻击蚁中发现新的、基本的分子现象，这是我们在果蝇中看不到的。”

一个受体，一个神经元

嗅觉的一个核心原理是，每个神经元都必须有自己的分子特征。“这是感觉神经科学领域的一种教条，”Kronauer实验室的研究生Giacomo Glotzer说。“每个感觉神经元通常表达一种受体，这就赋予了它的身份。”

不同的物种以不同的方式解决“一个受体，一个神经元”的难题。果蝇依靠分子开关来打开或关闭单个基因，确保每个感觉神经元中只有一个受体出现。哺乳动物采用一种更混乱的方法，每个神经元随机重组其染色质，直到只剩下一个受体基因可用。

然而，尚不清楚蚂蚁是采用了更像果蝇（昆虫）还是老鼠（哺乳动物）的策略，还是完全不同的策略。果蝇只有大约60个气味感受器，而蚂蚁却有几百个，其规模与哺乳动物相当。它们的许多受体被打包成几乎相同的基因簇。在这样一个拥挤的社区中，打开一个基因可能会偶然地激活其他基因。像果蝇这样的简单策略可能对蚂蚁复杂的嗅觉不起作用，这表明蚂蚁以其他方式保持1:1的嗅觉比例。

在该团队于2023年发表的一篇关于该主题的基础论文的基础上，该实验室开始捕捉这种难以捉摸的机制。在解剖了克隆蚁的触角组织后，研究小组使用RNA测序来确定哪些基因被激活，并使用RNA荧光原位杂交来定位这些基因在蚂蚁触角中的位置。然后，他们使用了许多尖端的分子和计算技术来创建一个被安静的邻居包围的选定受体的清晰图像。

他们发现，当蚂蚁神经元打开它所选择的受体基因时，它不会就此停止。RNA聚合酶——将DNA复制成RNA的引擎——继续越过该基因的正常终点，溢出到目标下游的基因中。这些“可读”转录本仍然被困在细胞核中，可能是因为它们缺乏输出所需的唯一标签。作者推测，这些转录本是无功能的，但它们的产生本身就是使下游基因沉默的原因。同时，神经元也在另一个方向上产生“反义”RNA。聚合酶在这里起到了阻碍上游基因沉默的作用，否则上游基因可能会被激活。

其结果是在选定的受体基因周围形成一个保护性的遗传屏障。

Kronauer实验室的生物医学研究员Parviz Daniel Hejazi Pastor说：“当我们把这种机制拆开，把它分解成它的组成部分时，我们发现这种策略可以使局部基因组环境沉默，使细胞具有单一的受体身份。我们的研究结果围绕转录干扰——神经元通过阻止上游和下游其他受体的真正转录来选择一个受体。”

克隆蚁

研究小组继续证实，同样的机制也在其他群居昆虫中起作用，包括印度跳蚁和蜜蜂。这些发现提出了一种可能性，即许多昆虫，无论是群居的还是非群居的，都使用转录干扰来维持受体和神经元之间1:1的比例。Kronauer说：“这种机制可能比我们想象的更广泛地分布，特别是在嗅觉受体基因丰富的昆虫物种中。甚至有可能果蝇是奇怪的。”

其影响远远超出了昆虫的嗅觉。通过表明紧密的相关基因簇可以通过双向保护来控制——通过读取使下游邻居安静下来，反义转录阻断上游基因——这项工作为基因组如何控制大基因家族提供了蓝图。研究结果还指出了一种潜在的机制，可以解释蚂蚁如何在相对较短的进化时间内迅速扩大它们的嗅觉。本文中描述的发现可能允许新复制的受体基因整合到一个感觉系统中，而不需要共同进化额外的调节机制。

“一旦你有了这样的系统，你可以允许它变得更复杂，而不会破坏任何东西，”Kronauer说。“我们推测，这种基因调控系统有助于让蚂蚁如此迅速地进化出新的嗅觉受体。”