科学家利用脑内分子信号重编码蚂蚁行为

在Atta cephalotes（切叶蚁）中，每个角色的剧本都预先写在形态学里，从大颚（颚部）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，巡逻门户并击退入侵者；稍小一些的中型工蚁（Media ants）为敏捷的小型工蚁（Minor ants）采集树叶碎屑，后者是蚁群的守护者和照料者；而在最微小的层级，针头大小的迷你工蚁（Minima ants）负责打理真菌园并抚育幼蚁。

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元素，确定了两种可通过上调或下调来重编程蚂蚁职责的信号分子。甲壳动物心脏活性肽（Crustacean cardioactive peptide, CCAP）在中型工蚁中升高，能促进采叶任务并可在其他亚等级中诱导类似行为。然而，富含于大型工蚁中的神经副肌肽-A（Neuroparsin-A, NPA）会抑制育幼行为并与防御性巡逻相关；相反，降低其NPA水平则会促使照料行为。

研究人员在《细胞》（Cell）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真社会性的裸鼹鼠（一种同样遵循合作育幼的哺乳动物）中的模式相呼应——这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中的保育蚁和觅食蚁与裸鼹鼠哺乳动物之间的基因调控存在明显相似性——这是始料未及的，"在文理学院和佩雷尔曼医学院担任双聘教授的Daniel S. Och整合知识大学教授Berger说道。"我们在蚂蚁中的研究结果强化了单一神经肽如何能显著改变行为的认知，这可能适用于人类社会行为——尽管人类无疑要复杂得多。"

从木匠蚁到切叶蚁

基于先前对木匠蚁（其具有相似但更简单的社会组织，仅包含觅食蚁和兵蚁两种角色）的研究，该团队调查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更精细的四级亚等级结构（大型工蚁、中型工蚁、小型工蚁和迷你工蚁）。

研究人员创建了3D打印的行为观察室，使他们能够监测蚂蚁与树叶、幼蚁或真菌的互动。这些观察室通过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复现的转变。

"一般来说，特定神经肽在某些等级中含量更高，因此我们观察了每个等级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，而抑制保育行为的神经肽水平高。因此，如果我们提高前者，会导致采叶行为；如果我们降低后者，则会导致育幼和照料行为。"

Glastad补充道，这些神经肽一旦与其配对的受体结合，便会触发复杂的信号级联反应，如同分子版的鲁布·戈德堡机械（Rube Goldberg machine）般在基因网络中扩散，最终导致蚂蚁从一项专门任务转向另一项。

跨越界别的分子机制

为深入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，其地下群体呼应了切叶蚁巢穴的等级和谐。

"起初，我觉得纳入裸鼹鼠有点像在浪费精力，"Glastad笑道。"但我们惊讶地发现，这两个物种大脑中此类觅食和保育等级行为的分子调控实际上存在诸多相似之处。"

尽管裸鼹鼠缺乏蚂蚁中存在的如NPA等确切神经肽，但研究人员推测，由于某些更保守的受体具有混杂性，这些肽类可能仍能激活两个物种共有的古老保守通路。

"当我们看到这些引人入胜的神经肽结果时，我们提出了一个想法：也许这种神经肽嵌入了某些保守的基因通路中，这些通路在这些截然不同的动物中趋同进化以管理不同的行为，"Glastad解释道。"而值得注意的是，我们发现了大量重叠——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极其酷炫，坦白说，也是机缘巧合。"

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（因其在糖代谢中的重要作用而闻名）耐人寻味的联系。

特别是，诸如Ilp1之类的胰岛素样肽与NPA一同显著表达，这表明在行为调控中，神经肽信号与胰岛素通路之间存在先前未被重视的相互作用。

"通过本质上发现胰岛素与育幼行为（在裸鼹鼠和切叶蚁中均存在）之间存在这种联系，我们推测这可能为研究胰岛素调节紊乱如何影响这些行为开辟了潜在途径，"第一作者、Berger实验室研究生研究员Maxxum Fioriti表示。

"这一联系为研究胰岛素如何调控哺乳动物（甚至可能人类）的照料行为开辟了新途径，"Fioriti说道，并推测像糖尿病这样的胰岛素抵抗疾病可能影响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团队渴望探索与行为相关的生物可塑性的持久性。他们也热衷于将工作延伸至晚年的再生和寿命可塑性领域，因为生殖蚁后的寿命远长于不生殖的工蚁。

Berger相信，表观遗传学（研究基因活性如何在不改变底层DNA的情况下开启或关闭）为理解行为可塑性乃至寿命可塑性提供了强大的方法。

"我们对重编程行为的持久性以及长寿蚁后的通路非常感兴趣，"她说。"我认为这两种现象在哺乳动物和人类生物学中都极具研究价值——我们正在探究行为可塑性和寿命可塑性的长期效应。"

谈及未来关于寿命可塑性的研究，Fioriti指出实验室中另一种蚂蚁具有惊人的寿命可塑性，"它们不仅表现出不同的行为，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对比研究，同时我们也对是否能在蚂蚁和裸鼹鼠之间关联理解寿命可塑性感兴趣，"Fioriti说。

关键要点

• 由文理学院和佩雷尔曼医学院整合知识教授Shelley Berger领导的研究人员探索了群居生物（如切叶蚁和裸鼹鼠）在其社会中分工的遗传基础
• 他们发现了可追溯至数亿年前的通路在动物界中是保守的
• 他们的发现为理解复杂社会行为的起源以及角色分配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大文理学院生物系的Daniel S. Och大学教授，也是宾夕法尼亚大学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实验室博士后研究员。

Maxxum Fioriti是宾夕法尼亚大学医学院博士候选人，Berger实验室研究员。

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

本工作获得美国国立卫生研究院支持（博士后基金F32GM120933和F31AG072777-03；基金号NIA R01 AG055570、AG047200及NIMH R01 MH131861）；祖克曼STEM领导力博士后项目；以及人类前沿科学计划资助。