稱為CRISPR的基因編輯技術(shù)徹底改變了研究基因功能的方式。到目前為止，CRISPR已被廣泛用于精確修飾單細(xì)胞生物，更重要的是，更復(fù)雜的生物體內(nèi)特定類型的細(xì)胞。現(xiàn)在，兩個(gè)獨(dú)立的研究小組報(bào)告說，CRISPR已經(jīng)被用來操縱螞蟻蛋 - 導(dǎo)致整個(gè)蟻群中成蟲動(dòng)物的每個(gè)細(xì)胞中發(fā)生的種系變化。這些論文將于8月10日在Cell發(fā)表。

“這些研究證明了你可以在螞蟻中進(jìn)行遺傳學(xué)研究，”洛克菲勒大學(xué)助理教授，其中一項(xiàng)研究的資深作者Daniel Kronauer說。“如果你對(duì)研究社會(huì)行為及其遺傳基礎(chǔ)感興趣，螞蟻是一個(gè)很好的系統(tǒng)。現(xiàn)在，我們可以淘汰任何我們認(rèn)為會(huì)影響社會(huì)行為并看到其影響的基因。”

因?yàn)樗鼈兩钤谙癯?jí)生物一樣起作用的集落中，所以螞蟻也是研究復(fù)雜生物系統(tǒng)的有價(jià)值的模型。但由于其生命周期的復(fù)雜性，蟻群很難在實(shí)驗(yàn)室中成長(zhǎng)和研究。

團(tuán)隊(duì)找到了解決這個(gè)問題的方法，使用了兩種不同的螞蟻。洛克菲勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)雇用了一種叫克隆掠食性螞蟻(Ooceraea biroi)的物種，它們的殖民地中沒有皇后。相反，單個(gè)未受精卵發(fā)育成克隆，產(chǎn)生大量通過產(chǎn)卵過程在遺傳上相同的螞蟻。“這意味著通過使用CRISPR修飾單個(gè)卵子，我們可以快速培育出含有我們想要研究的基因突變的菌落，”Kronauer說。

另一個(gè)團(tuán)隊(duì)是紐約大學(xué)和紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院，亞利桑那州立大學(xué)，賓夕法尼亞大學(xué)佩雷??爾曼醫(yī)學(xué)院和范德比爾特大學(xué)的研究人員之間的合作。，使用印度跳螞蟻(Harpegnathos saltator)。“我們選擇這個(gè)物種是因?yàn)樗鼈冇幸粋€(gè)特殊的特征，可以很容易地將工人變成女王，”紐約大學(xué)的銀色教授，第二項(xiàng)研究的高級(jí)作者之一Claude Desplan說。如果女王死了，年輕的工蟻將開始爭(zhēng)奪統(tǒng)治權(quán)。最終，其中一個(gè)成為“假的” - 也被稱為游戲門 - 并被允許產(chǎn)卵。

“在實(shí)驗(yàn)室中，我們可以注射任何工人胚胎來改變其基因組成，”Desplan說。“然后我們將工人轉(zhuǎn)變?yōu)榧俚?，它可以產(chǎn)卵，傳播新的基因，并產(chǎn)生一個(gè)新的殖民地。”

Desplan，紐約大學(xué)Langone的Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所研究員Danny Reinberg和賓夕法尼亞大學(xué)細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)和生物學(xué)系Daniel S. Och大學(xué)教授Shelley Berger幾年前開始研究這些螞蟻?zhàn)鳛橐环N了解表觀遺傳學(xué)的方法，表觀遺傳學(xué)指的是基因表達(dá)的變化而不是遺傳密碼本身的變化。“女王和工蟻在基因上是相同的，基本上是孿生姐妹，但它們的發(fā)展方式卻截然不同，”Desplan說。“這使它們成為研究表觀遺傳控制發(fā)展的良好系統(tǒng)。”

兩個(gè)研究小組用CRISPR敲除的基因稱為orco(氣味受體輔助受體)。螞蟻有350個(gè)基因用于氣味受體，單獨(dú)管理的數(shù)量非常大。但由于受體如何發(fā)揮作用的獨(dú)特生物學(xué) - 在這種情況下運(yùn)氣很好 - 調(diào)查人員能夠通過一次敲除來阻斷所有350的功能。“這些受體中的每一個(gè)都需要與Orco共同受體配合才能發(fā)揮作用，”Kronauer實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生Waring Trible說，他是洛克菲勒研究的第一作者。一旦基因被淘汰，螞蟻就會(huì)有效對(duì)他們通常用來溝通的信息素信號(hào)視而不見。如果沒有這些化學(xué)信號(hào)，它們就會(huì)變成社會(huì)性的，從巢中徘徊，無法尋找食物。

更令人驚訝的是，敲除orco也影響了兩個(gè)物種的成年動(dòng)物的大腦解剖結(jié)構(gòu)。就像人類在大腦中擁有專門的語(yǔ)言和面部識(shí)別處理中心一樣，螞蟻的中心負(fù)責(zé)感知和處理與其他昆蟲相比擴(kuò)大的嗅覺提示。但是在這些螞蟻中，這些感覺中心的子結(jié)構(gòu)，稱為觸角葉腎小球，在很大程度上是缺失的。

“有很多事情我們?nèi)匀徊恢罏槭裁磿?huì)這樣，”Kronauer說。“我們不知道神經(jīng)元是否會(huì)在成年人身上消失，因?yàn)樗鼈儧]有被使用，或者它們從未在第一時(shí)間發(fā)展。這是我們需要跟進(jìn)的。最終，我們想要了解螞蟻在多大程度上與哺乳動(dòng)物的現(xiàn)象相似，大腦發(fā)育在很大程度上取決于感覺輸入。

伯克說：“更好地理解，從生物化學(xué)的角度來看，行為是如何形成的，可以揭示社會(huì)交往的變化是一種標(biāo)志性疾病，如精神分裂癥或抑郁癥。”

在賓夕法尼亞大學(xué)的第三項(xiàng)相關(guān)研究中，Roberto Bonasio領(lǐng)導(dǎo)的研究人員使用大腦化學(xué)物質(zhì)corazonin改變了螞蟻的行為。當(dāng)將corazonin注入過渡成為偽女王的螞蟻時(shí)，它抑制腦蛋白卵黃蛋白原的表達(dá)。這種變化刺激了工人般的狩獵行為，同時(shí)抑制了偽女王行為，如決斗和卵子沉積。

此外，當(dāng)研究小組分析螞蟻大腦在過渡期間成為假女王的蛋白質(zhì)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)corazonin與脊椎動(dòng)物中的生殖激素類似。更重要的是，他們還發(fā)現(xiàn)隨著工人成為偽皇后，corazonin的釋放被關(guān)閉。Corazonin也優(yōu)先在來自其他社會(huì)昆蟲物種的工人和覓食者中表達(dá)。除了corazonin之外，還有一些其他基因以工人特異性或特定于王后的方式表達(dá)。

“螞蟻等社會(huì)性昆蟲是研究基因調(diào)控如何影響行為的杰出模型，”細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)助理教授Bonasia說。“這是因?yàn)樗麄兩钤谟删哂邢嗤蚪M但行為完全不同的個(gè)體組成的殖民地。”