科学家利用大脑分子重编程蚂蚁行为

在Atta cephalotes（切叶蚁）中，每个角色的职责都预先刻写在形态学中，从下颌骨（颚）的曲线到体型大小，都精确地划分了劳动分工。魁梧的大型工蚁（Major ants）充当哨兵，巡逻入口并击退入侵者；体型稍小的中型工蚁（Media ants）为灵活的小型工蚁（Minor）采集叶片碎屑，后者是蚁群的保管者和照料者；而在最细小的阶层，针尖大小的微型工蚁（Minima ants）则梳理真菌园并照料幼虫。

如今，由宾夕法尼亚大学的Shelley Berger领导的研究人员揭示了切叶蚁遗传密码的关键要素，精确定位了两种可被上调或下调以重编程蚂蚁职责的信号分子。甲壳类心脏活性肽（Crustacean cardioactive peptide, CCAP）在中型工蚁中含量较高，能促进叶片采集任务，并能诱导其他亚阶层的蚂蚁产生类似行为。然而，在大型工蚁中含量丰富的神经抑制素-A（Neuroparsin-A, NPA）则会抑制幼虫照料行为，并与防御性巡逻有关；相反，降低其NPA水平会促使照料行为的发生。

研究人员在Cell（《细胞》）杂志上报告了他们的发现，同时还揭示了一个惊人的相似之处：支配切叶蚁劳动分工的基因表达模式与完全社会性的裸鼹鼠（eusocial naked mole-rats）中的模式相呼应——这种哺乳动物同样遵循共同照料幼虫的原则——暗示着一种可追溯至6亿多年前的趋同分子机制。

“我们惊讶地发现，蚂蚁的保育蚁和觅食蚁之间的基因调控与裸鼹鼠哺乳动物之间存在明显的相似性——这是意想不到的，” Berger（Daniel S. Och宾夕法尼亚综合知识大学教授，在文理学院和佩雷尔曼医学院均有聘任）说道。“我们在蚂蚁身上的研究结果强化了单一神经肽如何能显著改变行为这一观点，这可能适用于人类的社会行为——尽管人类当然要复杂得多。”

从木匠蚁到切叶蚁

研究团队在先前对木匠蚁研究的基础上展开工作。木匠蚁具有相似但更简单的社会组织，包含觅食蚁和兵蚁两种角色。团队研究了切叶蚁中几种不同的神经肽，以探索这些原理如何扩展应用到切叶蚁更精细的、包含大型、中型、小型和微型四个亚阶层的社会结构中。

研究人员设计了3D打印的行为观察室，使他们能够监测蚂蚁如何与叶片、幼虫或真菌互动。通过这些观察室，结合视频分析实现了行为的追踪和量化，展示了改变蚂蚁体内CCAP和NPA水平如何在其分配任务中诱导出显著且可重复的转变。

“一般来说，特定神经肽在某些阶层中含量更高，因此我们观察了每个阶层蚂蚁大脑中的神经肽水平，”罗切斯特大学助理教授、Berger实验室前博士后研究员Karl Glastad解释道。“在大型工蚁中，支配切叶行为的神经肽水平低，而阻止保育行为的神经肽水平高。因此，如果我们提高前者，会导致切叶行为；如果我们降低后者，则会导致保育和照料幼虫的行为。”

Glastad补充道，这些神经肽一旦与其匹配的受体结合，就会触发一个复杂的信号级联反应，像分子版的鲁布·戈德堡机械（Rube Goldberg machine）一样波及基因网络，最终导致蚂蚁从一种专门任务转向另一种。

跨越界的分子机制

为了进一步探索这种行为脚本的进化深度和意义，该团队研究了裸鼹鼠——一种远亲的进化表亲，它们的地下群体群落呼应了切叶蚁巢穴中类似阶层的和谐。

“起初，我觉得纳入裸鼹鼠的研究有点像是徒劳之举，” Glastad笑道。“但我们惊讶地发现，在这两个物种的大脑中，这类觅食和保育阶层的分子调控实际上存在很多相似之处。”

尽管裸鼹鼠体内没有像蚂蚁中发现的NPA那样的确切神经肽，但研究人员推测，由于某些进化上更保守的受体具有混杂性（promiscuity），这些肽类可能仍然激活了两种物种共有的古老、保守的通路。

“当我们看到这些有趣的神经肽结果时，我们提出了一个想法：也许这种神经肽接入了一些保守的基因通路，这些通路在这些非常不同的动物中趋同演化，以管理不同的行为，” Glastad解释道。“而且值得注意的是，我们发现了大量的重叠——重叠程度之高，以至于蚂蚁的神经肽甚至能激活裸鼹鼠大脑中的内源性受体。发现这种意想不到的趋同性真是非常酷，坦率地说，也很幸运。”

胰岛素调控通路的新角色？

这些发现还揭示了与胰岛素调控通路的有趣联系，胰岛素通路以其在糖代谢中的重要作用而闻名。

特别是，诸如Ilp1之类的胰岛素样肽与NPA显著共表达，这表明神经肽信号与胰岛素通路在行为调控中存在一种先前未被重视的相互作用。

“通过本质上发现胰岛素与母性照料行为之间存在这种联系——无论是在裸鼹鼠还是切叶蚁中——我们推测，这可能为研究胰岛素调节失调如何影响这些行为打开了大门，”第一作者、Berger实验室的研究生研究员Maxxum Fioriti说道。

“这一联系开启了新的研究途径，探索胰岛素如何调控哺乳动物（甚至可能是人类）的照料行为，”Fioriti说道，并推测像糖尿病这样的胰岛素抵抗性疾病可能会影响孕产妇心理健康和产后抑郁症。

延伸至寿命可塑性

展望未来，Berger的团队渴望探索与行为相关的生物可塑性的持久性。他们也对将工作扩展到晚年生命活力恢复和寿命可塑性感兴趣，因为具有生殖能力的蚁后比不生殖的工蚁寿命长得多。

Berger相信，表观遗传学（研究在不改变底层DNA的情况下如何开启或关闭基因活性的学科）为理解行为可塑性以及寿命可塑性提供了强有力的方法。

“我们非常感兴趣的是，被重编程的行为能持续多久，以及长寿蚁后的通路是什么，”她说。“我认为这两种现象在哺乳动物和人类生物学中都具有巨大的研究价值——我们正在研究的行为可塑性和寿命可塑性的长期效应。”

在谈到未来关于寿命可塑性的研究时，Fioriti指出，实验室中的另一种蚂蚁物种具有惊人的寿命可塑性，“它们不仅仅拥有不同的行为，还能在长寿蚁后和短命工蚁之间切换。”

“我们有蚂蚁行为模型与裸鼹鼠的比较研究，我们也有兴趣看看能否将蚂蚁和裸鼹鼠在寿命可塑性方面的理解结合起来，” Fioriti说。

关键要点

• 由文理学院和佩雷尔曼医学院宾夕法尼亚综合知识教授Shelley Berger领导的研究人员探索了像切叶蚁和裸鼹鼠这样的群居生物如何在其社会中分工合作的遗传基础。
• 他们发现了可追溯至数亿年前的通路在整个动物界中是保守的。
• 他们的发现为复杂社会行为的起源以及分配角色的神经可塑性提供了基础性见解。

Shelley Berger是佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学系和宾夕法尼亚文理学院生物系的Daniel S. Och大学教授，并担任宾夕法尼亚表观遗传学研究所所长。

Karl Glastad是罗切斯特大学生物学助理教授，曾任Berger实验室的博士后研究员。

Maxxum Fioriti是宾夕法尼亚医学院的博士研究生，也是Berger实验室的研究员。

其他作者包括：宾夕法尼亚佩雷尔曼医学院的Michael B. Gilbert, Matan Sorek, Tierney Scarpa, Freddy S. Purnell, Daniel Xu, Josue Baeza, Richard Lauman, Balint Z. Kacsoh, 和 Roberto Bonasio；Talus Bioscience的Lindsay K. Pino；罗切斯特大学的Anatoly Korotkov, Ali Biashad, Andrei Seluanov, 和 Vera Gorbunova；洛桑联邦理工学院的Anastasiia Filippova 和 Mackenzie W. Mathis；以及华盛顿大学医学院的Benjamin A. Garcia。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）的支持（博士后奖学金 F32GM120933 和 F31AG072777-03；资助项目 NIA R01 AG055570, AG047200, 和 NIMH R01 MH131861）；Zuckerman STEM 领导力博士后项目；以及人类前沿科学计划的支持。