Johns Hopkins forskere forbinder vendbare ‘epigenetiske’ mærker med adfærdsmønstre.
Billedkredit: roseburn3Dstudio / Shutterstock
Johns Hopkins-forskere rapporterer, hvad der antages at være det første bevis på, at komplekse, reversible adfærdsmønstre hos bier - og formodentlig andre dyr - er knyttet til reversible kemiske tags på gener.
Forskerne siger, hvad der er mest markant ved den nye undersøgelse, der er beskrevet online 16. september i Nature Neuroscience, er at DNA-methylering "tagging" for første gang er blevet knyttet til noget på adfærdsniveauet for en hel organisme. Desuden siger de, at den pågældende adfærd og dens tilsvarende molekylære ændringer er reversible, hvilket har vigtige konsekvenser for menneskers sundhed.
Ifølge Andy Feinberg, MD, MPH, Gilman-lærd, professor i molekylær medicin og direktør for Center for Epigenetics ved Hopkins 'Institute for Basic Biomedical Sciences, har tilsætningen af DNA-methylering til gener længe vist sig at spille en vigtig rolle i reguleringen genaktivitet i ændrede biologiske systemer, ligesom skæbnebestemmelse i stamceller eller oprettelse af kræftceller. Nysgerende på, hvordan epigenetik kan bidrage til adfærd, studerede han og hans team en afprøvet model for dyreopførsel: bier.
Arbejde med bieekspert Gro Amdam, Ph.D., lektor i biovidenskab ved Arizona State University og Norwegian University of Life Sciences, Feinbergs epigenetik-team fandt markante forskelle i DNA-metyleringsmønstre i bier, der har identiske genetiske sekvenser, men meget forskellig adfærdsmæssig mønstre.
Ved at anvende en metode, der giver forskerne mulighed for at analysere hele genomet på én gang, kaldet CHARM (omfattende high-output-arrays til relativ methylering), analyserede teamet placeringen af DNA-methyleringer i hjernen til arbejderbier fra to forskellige "erhverv." Alle arbejderbier er kvinder og inden for en given bikube er alle genetisk identiske søstre. De gør imidlertid ikke alle de samme ting; nogle sygeplejerske og nogle foder.
Sygeplejersker er generelt yngre og forbliver i bikuben for at tage sig af dronningen og hendes larver. Når sygeplejersker bliver modne, bliver de foderagere, der forlader bikuben for at samle pollen og andre forsyninger til bikuben. ”Generne selv ville ikke fortælle os, hvad der er ansvarlig for de to typer adfærd,” siger Feinberg. ”Men epigenetik - og hvordan den kontrollerer gener - kunne.”
Feinberg og Amdam startede deres eksperiment med nye bikuber befolket af bier i samme alder. Det fjernede muligheden for, at eventuelle forskelle, de måtte finde, kunne tilskrives forskelle i alder. ”Når unge, aldersbestemte bier indtaster en ny bikive, dividerer de deres opgaver, så den rigtige andel bliver sygeplejersker og foderagenter,” forklarer Amdam. Det er disse to populationer, der blev testet efter omhyggeligt karakterisering og markering af hver bi med sin "professionelle" eller adfærdsmæssige kategori.
Ved at analysere mønstrene af DNA-methylering i hjernerne af 21 sygeplejersker og 21 foragers, fandt teamet 155 regioner af DNA, der havde forskellige mærkningsmønstre i de to typer bier. Generene, der var forbundet med methyleringsforskellene, var for det meste regulatoriske gener, der vides at påvirke status for andre gener. "Gensekvenser uden disse tags er som veje uden stoplamper - gridlock," siger Feinberg.
Når de vidste, at der eksisterede forskelle, kunne de tage det næste skridt for at afgøre, om de var permanente. ”Når der er for få sygeplejersker, kan foragerne træde ind og indtage deres plads og vende tilbage til deres tidligere praksis,” siger Amdam. Forskerne brugte denne strategi for at se, om foderbier ville opretholde deres fodergenetiske tags, når de blev tvunget til at begynde at fungere som sygeplejersker igen. Så de fjernede alle sygeplejerskerne fra deres elveblest og ventede flere uger på, at bikuben skulle genoprette balance.
Når det var gjort, kiggede teamet igen for forskelle i DNA-methyleringsmønstre, denne gang mellem foragers, der forblev foragers og de, der blev sygeplejersker. Et hundrede og syv DNA-regioner viste forskellige mærker mellem fangerne og de tilbagevendte sygeplejersker, hvilket antydede, at de epigenetiske mærker ikke var permanente, men vendbare og forbundet med biernes opførsel og de faktiske forhold i livet i bikuben.
Dramatisk, bemærkede Feinberg, var over halvdelen af disse regioner allerede blevet identificeret blandt de 155 regioner, der ændrer sig, når sygeplejersker bliver ældre. Disse 57 regioner er sandsynligvis kernen i den forskellige adfærd, som sygeplejersker og foragers udviser, siger Amdam. ”Det er som et af de billeder, der fremstiller to forskellige billeder, afhængigt af din synsvinkel,” siger hun. ”Bi-genomet indeholder billeder af både sygeplejersker og foragers. Mærkaterne på DNA'et giver hjernen sine koordinater, så den ved, hvilken slags adfærd man skal projicere. “
Forskerne siger, at de håber, at deres resultater kan begynde at kaste lys over komplekse adfærdsmæssige problemer hos mennesker, såsom læring, hukommelse, stressrespons og humørforstyrrelser, som alle involverer interaktioner mellem genetiske og epigenetiske komponenter, der ligner dem i undersøgelsen. En persons underliggende genetiske sekvens håndteres af epigenetiske tags, der kan blive påvirket af eksterne signaler for at ændre sig på måder, der skaber stabile (men reversible) adfærdsmønstre.
Via Johns Hopkins Medicine