科学家利用脑分子重编程蚂蚁行为

在切叶蚁属首蚁（Atta cephalotes）或称切叶蚁中，每种角色的分工都预先写在其形态结构里，从大颚（下颚）的弯曲度到体型大小，都精确规定了劳动的精细分工。体型庞大的大型蚁（Major）充当哨兵，巡逻门口并驱逐入侵者；体型稍小的中型蚁（Media）为敏捷的小型蚁（Minor），即蚁群的维护者和照料者，采集树叶碎片；而在最微小的层级，针尖大小的微型蚁（Minima）负责梳理真菌园并抚育幼虫。

如今，由宾夕法尼亚大学的谢莉·伯杰（Shelley Berger）领导的研究人员揭示了切叶蚁遗传密码的关键要素，确定了两种可上调或下调以重新编程蚂蚁职责的信号分子。甲壳动物心脏活性肽（Crustacean cardioactive peptide, CCAP）在中型蚁中表达升高，促进叶片采集任务，并能诱导其他亚等级产生类似行为。然而，在大型蚁中丰富的神经抑制肽-A（Neuroparsin-A, NPA）则抑制幼虫照料行为，并与防御性巡逻相关；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，与真社会性的裸鼹鼠（eusocial naked mole-rat）——一种同样遵守协作抚育幼虫的哺乳动物——中的模式相似，这暗示了一种可追溯至6亿多年前的趋同分子机制。

“我们惊讶地观察到蚂蚁的保育蚁和觅食蚁与裸鼹鼠哺乳动物之间基因调控的明显相似性——这是出乎意料的，”拥有文理学院（School of Arts & Sciences）和佩雷尔曼医学院（Perelman School of Medicine）双聘职务的Daniel S. Och校级整合知识教授伯杰说道。“我们在蚂蚁身上的结果强化了单个神经肽能显著改变行为的观点，这可能适用于人类社会行为——尽管人类当然要复杂得多。”

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体内几种不同的神经肽，以探索这些原理如何扩展到大型蚁、中型蚁、小型蚁和微型蚁这种更精细的四亚等级结构。

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如何与树叶、幼虫或真菌互动。这些观察室通过视频分析实现了行为的跟踪和量化，证明了改变蚂蚁体内CCAP和NPA水平可诱导其分配任务发生显著且可重复的变化。

“一般来说，特定的神经肽在某些等级中更丰富，因此我们观察了每个等级蚂蚁大脑中的神经肽水平，”罗切斯特大学助理教授、伯杰实验室前博士后研究员卡尔·格拉斯特德（Karl Glastad）解释道。“在大型蚁中，支配切叶蚁行为的神经肽水平低，而抑制抚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，则会导致抚育和照料幼虫。”

格拉斯特德补充说，这些神经肽一旦与其匹配受体结合，就会引发一个复杂的信号级联反应，波及整个基因网络，就像一个分子版的鲁布·戈德堡机械装置（Rube Goldberg machine），最终导致蚂蚁从一项专门任务转换到另一项。

跨越物种界的分子机制

为了深入探索这种行为模式的进化深度及其意义，该团队研究了裸鼹鼠——一个在进化上关系较远的表亲，其地下群落呼应了切叶蚁巢穴中的等级式和谐。

“起初，我觉得加入裸鼹鼠的研究有点像在瞎忙活，”格拉斯特德笑道。“但我们惊讶地发现，在这两个物种的大脑中，对于此类觅食和照料等级的行为调控，在分子层面实际上存在很多相似之处。”

尽管裸鼹鼠体内缺乏像蚂蚁中存在的NPA那样的确切神经肽，但研究人员假设，由于某些更保守的受体具有混杂性，这些肽可能仍然激活了两种物种共有的古老保守通路。

“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进化，以管理不同的行为，”格拉斯特德解释道。“而且引人注目的是，我们发现了实质性的重叠——其程度之高，以至于蚂蚁的神经肽甚至能够激活裸鼹鼠大脑中的内源性受体。发现这种出乎意料的趋同现象真是酷极了，坦白说，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。

值得注意的是，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，神经肽信号传导与胰岛素通路之间存在先前未被充分认识的相互作用。

“基本上，通过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，我们推测这可能会为潜在研究胰岛素调节失调如何影响这些行为打开大门，”第一作者、伯杰实验室研究生研究员马克斯姆·菲奥里蒂（Maxxum Fioriti）说道。

菲奥里蒂表示：“这一联系为研究胰岛素如何调控哺乳动物（甚至可能包括人类）的照料行为开辟了新途径。”他推测，像糖尿病这样的胰岛素抵抗疾病可能会影响孕产妇心理健康和产后抑郁。

延伸至寿命可塑性

展望未来，伯杰团队渴望探索与行为相关的生物可塑性的持久性。他们也有兴趣将工作延伸到晚年生命活力恢复和寿命可塑性领域，因为生殖蚁后的寿命比不生殖的工蚁长得多。

伯杰相信，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）为理解行为可塑性和寿命可塑性提供了强大的方法。

“我们真正感兴趣的是被重新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——即我们正在研究的行为可塑性和寿命可塑性的长期效应。”

谈到未来关于寿命可塑性的研究时，菲奥里蒂指出，实验室中另一种蚂蚁物种具有惊人的寿命可塑性，“它们不仅有不同的行为，还能在长寿蚁后与短命工蚁之间切换。”

“我们有蚂蚁行为模型与裸鼹鼠的比较研究，我们也有兴趣看看是否还能将蚂蚁和裸鼹鼠之间的寿命可塑性理解结合起来，”菲奥里蒂说道。

关键要点

• 由宾夕法尼亚大学文理学院和佩雷尔曼医学院整合知识教授谢莉·伯杰领导的研究人员探索了群居生物（如切叶蚁和裸鼹鼠）如何在群体中分工的遗传基础
• 他们发现可追溯至数亿年前的通路在动物界中是保守的
• 他们的发现为复杂社会行为的起源以及分配角色的神经可塑性提供了根本性见解

谢莉·伯杰（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学系的Daniel S. Och校级教授，并担任宾夕法尼亚表观遗传学研究所主任。

卡尔·格拉斯特德（Karl Glastad）是罗切斯特大学生物学助理教授，曾为伯杰实验室博士后研究员。

马克斯姆·菲奥里蒂（Maxxum Fioriti）是宾夕法尼亚大学医学院博士研究生，伯杰实验室研究员。

其他作者包括宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的迈克尔·B·吉尔伯特（Michael B. Gilbert）、马坦·索雷克（Matan Sorek）、蒂尔尼·斯卡帕（Tierney Scarpa）、弗雷迪·S·珀内尔（Freddy S. Purnell）、徐丹尼尔（Daniel Xu）、乔苏埃·巴埃萨（Josue Baeza）、理查德·劳曼（Richard Lauman）、巴林特·Z·卡克索（Balint Z. Kacsoh）和罗伯特·博纳西奥（Roberto Bonasio）；Talus Bioscience的林赛·K·皮诺（Lindsay K. Pino）；罗切斯特大学的阿纳托利·科罗特科夫（Anatoly Korotkov）、阿里·比亚沙德（Ali Biashad）、安德烈·塞卢安诺夫（Andrei Seluanov）和维拉·戈尔布诺娃（Vera Gorbunova）；瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）的阿纳斯塔西娅·菲利波娃（Anastasiia Filippova）和麦肯齐·W·马西斯（Mackenzie W. Mathis）；以及华盛顿大学医学院的本杰明·A·加西亚（Benjamin A. Garcia）。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）（博士后奖学金 F32GM120933 和 F31AG072777-03；基金 NIA R01 AG055570, AG047200 和 NIMH R01 MH131861）、祖克曼STEM领导力博士后项目（The Zuckerman STEM Leadership Post-Doctoral Program）以及人类前沿科学计划（The Human Frontier Science Program）的支持。