Революционная технология редактирования генов CRISPR сегодня широко используется для модификации одноклеточных организмов и, что более важно, для изменения функций какого-либо типа клеток в многоклеточных организмах.
В последней области специалисты добились больших успехов: сразу две независимых группы исследователей сообщили о том, что при помощи CRISPR им удалось создать муравьёв-мутантов. То есть впервые изменения затронули весь организм целиком, а не какую-то определённую группу клеток.
Решение оказалось простым: манипуляции проводили с муравьиными яйцами, и в итоге изменения по зародышевой линии затрагивали каждую клетку взрослого насекомого. Как это работает и что изменилось в поведении муравьёв-мутантов?
Напомним, что, поскольку муравьи живут в колониях, функционирующих как суперорганизмы, они являются удобной моделью для изучения сложных биологических систем.
«Если вы заинтересованы в изучении социального поведения и их генетической основы, муравьи – хороший пример. Теперь мы можем «выбить» любой ген, который, по нашему мнению, будет влиять на социальное поведение, и увидеть последствия этого действия», — рассказывает в пресс-релизе ведущий автор одной из работ Дэниел Кронауэр (Daniel Kronauer) из Рокфеллеровского университета.
Его команда использовала в своём исследовании вид под названием Ooceraea biroi. Его отличительная особенность заключается в необычном способе размножения, известном как партеногенез. Это одна из форм полового размножения, при которой женские половые клетки (яйцеклетки) развиваются во взрослом организме без оплодотворения. Для O. biroi характерен такой вид партеногенеза, как клональное размножение: яйца развиваются как клоны, и в итоге колония представляет собой огромное количество генетически идентичных насекомых.
«Это означает, что, используя технологию CRISPR для модификации отдельных яиц, мы можем быстро вырастить колонии, содержащие мутацию гена, которую мы хотим изучить», — поясняет Кронауэр.
Тем временем его коллеги из Нью-Йоркского университета использовали в своём исследовании индийских прыгающих муравьев (Harpergnathos salator).
«Мы выбрали этот вид из-за одной его особенной черты, которая позволяет легко превращать рабочих в королев», — рассказывает один из руководителей исследования профессор Клод Десплан (Claude Desplan). Дело в том, что в случае смерти королевы молодые муравьи-рабочие начинают борьбу за власть. В результате одна из особей становится «псевдокоролевой» и получает право откладывать яйца.
«В лабораторных условиях мы можем модифицировать любой зародыш рабочего муравья – изменить его геном и превратить в такую «псевдокоролеву», которая будет откладывать яйца, а из них затем получится новая колония, в которой размножатся изменённые гены», — поясняет Десплан.
Профессор вместе с коллегами начал изучать муравьёв вида H. salator несколько лет назад, и за это время учёные собрали множество данных об их эпигенетике. Иными словами, об экспрессии генов (в ходе которой наследственная информация от гена преобразуется в работающий продукт — РНК или белок), а не изменения в самом генетическом коде.
«Королевы и рабочие муравьи генетически идентичны, но они развиваются абсолютно по-разному, что делает этот вид хорошей системой для изучения эпигенетического контроля развития, — отмечает Десплан.
Несмотря на различия в «рабочем материале», обе исследовательские группы «нокаутировали» при помощи технологии CRISPR один и тот же ген. Он называется orco и отвечает за восприятие запахов.
В муравьином геноме присутствует целых 350 генов обонятельных рецепторов. Повлиять на каждый из них невозможно. Но здесь учёным повезло: выведя из игры orco, можно вывести из строя функцию всех 350 генов.
Дело в том, что каждому из обонятельных рецепторов для эффективной работы необходим ген orco. Как только его «заблокировали», муравьи стали невосприимчивы к сигналам феромонов, которые они используют для «связи». И без этих химических сигналов насекомые тут же превратились в асоциальных: поиск пищи, рабочие процессы, общение друг с другом и даже поиск дома – все их действия лишились основного ориентира.
Муравьи-«мутанты» (на видео ниже их можно отличить по цветным меткам) демонстрировали различные поведенческие аномалии, которые не поддаются анализу, отмечают учёные. Любопытно, что отклонения у них стали проявляться только во «взрослой фазе» жизненного цикла.
Что ещё более удивительно, «блокировка» гена orco также оказала влияние на анатомию у взрослых особей обоих видов. Поясним, что в усиках муравьёв (как в мозге человека) есть специализированные центры обработки информации, которые отвечают за восприятие и обработку обонятельных сигналов. После «отключения» гена orco субструктуры этих сенсорных центров у насекомых просто исчезли.
Это стало неожиданностью для учёных, поскольку анатомия мозга предыдущих «orco-мутантов» (например, тех же комаров или плодовых мух) не изменялась. Вероятно, обонятельная способность для муравьёв гораздо важнее, чем для других насекомых, заключают авторы.
Вопрос, как и почему происходят описанные выше изменения, ещё предстоит прояснить, отмечает Кронауэр. Пока что непонятно, отмирают ли эти центры, потому что не используются, или же они просто не развиваются у особей с уже отредактированным геномом.
Также исследователям ещё предстоит узнать, будут ли работать схожие механизмы у других животных, особенно в тех случаях, когда развитие мозга также во многом зависит от сенсорного восприятия.
Научные статьи по итогам исследований опубликованы в журнале Cell: первая и вторая.
Автор: Юлия Воробьёва