Геном пчелы. Белок вителлогенин.

Проект генома медоносной пчелы

О проекте
BCM-HGSC секвенировал медоносную пчелу Apis mellifera. Последняя версия сборки Amel_4.5 доступна в GenBank. Сборка версии 4.0 была опубликована в октябре 2006 года.
Медоносная пчела имеет важное значение в сельскохозяйственном сообществе так как является производителем меда и в качестве посредника опыления. Это модельный организм для изучения следующих проблем здоровья человека: иммунитет, аллергическая реакция, устойчивость к антибиотикам, развитие, психическое здоровье, долголетие и заболевания Х-хромосомы. Кроме того, биологи заинтересованы в социальной организации и поведенческих чертах медоносной пчелы.

Секвенирование медоносной пчелы совместно финансируется Национальным научно-исследовательским институтом генома человека (NHGRI) и Министерством сельского хозяйства (USDA). Несколько дронов от одной и той же королевы (штамм DH4) были получены у Дэнни Уивера из B. Weaver Apiaries.

Все библиотеки были сделаны из ДНК, выделенной из трутней. Библиотека BAC с медоносной пчелой (CHORI-224) была подготовлена ​​Питером де Йонгом и Катцутойо Осогава в Исследовательском институте детской больницы Окленда.

Публикации включают основную статью в Nature и сопутствующих работ в области исследований генома и молекулярной биологии насекомых. BCM-HGSC намерен опубликовать анализ усовершенствованной сборки генома.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Выяснилось, что геном пчелы в десять раз меньше человеческого и содержит около 300 миллионов основных пар ДНК. В зависимости от набора генов медоносная пчела выполняет те или иные обязанности Ученый Робинсон из Университета Иллинойса, заявляет, что гены играют в формировании поведения животного намного более значительную роль, чем ранее полагали ученые.
"Строение нервной системы человека в большой степени схоже с нервной системой пчелы", - говорит исследователь Грег Хант из Университета Пердью штата Индиана.

Поэтому, изучая пчел, можно выяснить, какая связь существует между набором генов и поведением человека.
У насекомых гены, отвечающие за труд, имеют прямое влияние на умственные способности животного.
Робинсон с коллегами создали компьютерную микросхему строения ДНК, обозначив 5500 генов пчелы, что является половиной всех генов насекомого. Активные гены особым образом отображались на микросхеме, создавая светлое пятно. Чем активнее ген, тем ярче световое пятно.
Около сорока процентов генов способны изменять род деятельности насекомого.

Так, например, пчела, выполнявшая функции няни, начинает исполнять обязанности кормильца. Ученые подвергли испытанию мозг шестидесяти насекомых из трех ульев.
Такие представительные схемы - это лучший способ исследовать генетическую структуру, которая отвечает за жизнедеятельность, приходит к выводу энтомолог Роберт Пейдж из Университета Калифорнии. "Тем не менее, должен заметить, что мы не собираемся открывать ген каждой функции организма", - добавляет ученый.

Молодые пчелы проводят первые недели жизни, работая неподалеку от улья. Позже они выполняют другие обязанности далеко за пределами улья и трудятся до последнего месяца своей жизни.
Таким образом, возраст насекомого влияет на род занятий пчелы.
Однако подобное изменение деятельности строго не фиксировано, оно может наступить раньше, позже или вовсе не сработать.

К примеру, старые пчелы выделяют фермент, который не позволяет им часто менять род деятельности. Робинсон считает, что изучение подобных процессов у пчел поможет понять подобные механизмы, имеющие место в организме других животных.
Генетика пчелы будет предметом дальнейших исследований в ближайшие несколько месяцев, что поможет в объяснении поведения и генетики многих других живых существ.

Американские биологи установили, что ген vitellogenin, необходимый для формирования яиц у насекомых, у медоносной пчелы выполняет также целый ряд других функций, связанных с социальной организацией и разделением труда. Белок вителлогенин, кодируемый этим геном, влияет на возраст, в котором рабочая пчела переходит от работы «по дому» к сбору пропитания, на то, какой корм она будет собирать — нектар или пыльцу, а также на продолжительность ее жизни.

Исключительная сложность поведения, коммуникации и социальной организации общественных насекомых издавна привлекает внимание исследователей. Главный принцип организации семьи-колонии у пчел, шмелей, муравьев или термитов — это наличие рабочих особей, которые сами не размножаются, но проявляют подлинно родительскую заботу о потомстве «царицы».

Многие специалисты предполагают, что такое поведение могло появиться из-за десинхронизации работы генов, ответственных за размножение и заботу о потомстве. В результате «родительские инстинкты» у рабочих стали включаться до того, как они сами приобретали способность к размножению. За неимением собственного потомства такие насекомые были вынуждены заботиться о своих сестренках и братишках.
В дальнейшем у многих общественных насекомых система каст и разделения труда между ними сильно усложнилась. Например, у медоносной пчелы молодые рабочие сначала выполняют различные «домашние» работы, а спустя несколько недель переходят к сбору пропитания, причем одни особи специализируются на заготовке нектара, а другие — пыльцы.

От чего зависит эта трудовая специализация? Если верны упомянутые выше предположения, то можно ожидать, что важную роль в регуляции разделения труда у пчел могут играть гены-регуляторы, изначально связанные с репродуктивной функцией — например, влияющие на выработку половых гормонов (см.: Amdam et al. Complex social behaviour derived from maternal reproductive traits // Nature. 2006. V. 439. P. 76–78).
Ранее был выявлен ряд генов, уровень экспрессии (активности) которых меняется у рабочих пчел в зависимости от рода их занятий. Особое внимание среди них привлек ген vitellogenin. Этот ген у насекомых — как общественных, так и одиночных — тесно связан с женской репродуктивной функцией: кодируемый им белок вителлогенин необходим для формирования яиц в яичниках самок (см. оогенез).

Однако у рабочих пчел, которые никаких яиц не откладывают, этот ген тоже активен. Более того, было замечено, что его активность у рабочих пчел снижается с возрастом. Это позволило предположить, что вителлогенин служит своеобразным поведенческим «переключателем»: снижение его концентрации заставляет пчелу в определенный момент ее жизни оставить домашние хлопоты и переключиться на сбор пропитания за пределами гнезда.
Группе американских энтомологов удалось экспериментально подтвердить роль вителлогенина в регуляции разделения труда у пчел. Для этого они воспользовались методом РНК-интерференции. Только что вышедшим из куколки молодым рабочим пчелам вводили двухцепочечную РНК с такой же последовательностью нуклеотидов, как и в гене vitellogenin. В результате этот ген у подопытных пчел оказывался выключенным на всю жизнь.

В опыте использовались также две контрольные группы рабочих: первой из них ничего не вводили, а второй вводили другую двухцепочечную РНК, не влияющую на экспрессию генов (чтобы доказать, что наблюдаемые изменения вызваны именно выключением гена vitellogenin, а не травмирующей процедурой).
Оказалось, что рабочие пчелы с отключенным геном vitellogenin отличаются от контрольных сразу по трем показателям. Во-первых, они значительно раньше переходили от домашних работ к сбору пропитания. Это подтвердило высказанное ранее предположение, что вителлогенин служит «поведенческим переключателем». Во-вторых, продолжительность их жизни заметно сократилась.

В-третьих, они специализировались преимущественно на сборе нектара, а не пыльцы. Этот результат согласуется с полученными ранее данными, согласно которым пчелиные семьи, для которых характерен низкий уровень вителлогенина у молодых рабочих пчел, собирают больше нектара и меньше пыльцы по сравнению с семьями, генетические особенности которых предопределяют более высокий уровень вителлогенина у молодых рабочих.
Таким образом, один и тот же ген, изначально связанный с женской репродуктивной функцией, стал выполнять у медоносной пчелы целый ряд новых задач, связанных с регуляцией разделения труда и общественного устройства.
Несомненно, полученные результаты являются важным шагом к пониманию молекулярно-генетических механизмов, определяющих сложнейшее социальное поведение общественных насекомых. Однако для полного разрешения этой великой загадки подобных шагов предстоит сделать еще очень много. Подспорьем в этом нелегком деле станет прочтенный в октябре прошлого года геном медоносной пчелы

Ученым из университета штата Иллинойс удалось приблизиться к пониманию молекулярных основ общественного поведения при изучении "идеальной модели" социального поведения у медоносной пчелы. Ученые исследовали геном пчел, чтобы выявить гены, отвечающие за социальное поведение, сообщает Terradaily. Точнее, поиск был направлен на выявление генетических механизмов, вынуждающих отдельных пчел менять характер своей работы в ответ на потребности всего сообщества, т.е. изучались механизмы социальной регуляции экспрессии генов.

Юные рабочие пчелы выполняют в ульях разные задачи: сначала это уход за яичками и личинками, затем сбор нектара и пыльцы. Однако если в улье наблюдается дефицит сборщиков пищи, некоторые молодые пчелы быстро переключаются с ухода за потомством на сбор питательных веществ.

Очевидно, смена рода деятельности, вне зависимости от того, обусловлена ли она возрастом или социальными сигналами, должна включать изменения тысяч генов в нервной системе пчел: одни "включаются", другие, наоборот, "выключаются".

Смена активности генов приводит к соответствующим изменениям поведения.

За процессы регуляции активности генов отвечают короткие полосы ДНК, располагающиеся около гена. Эти фрагменты служат местом для связывания определенных регуляторных молекул – "транскрипционных факторов". Эти-то факторы и регулируют активность генов: когда соответствующая молекула прикрепляется к полосе ДНК, ген активируется. Отсоединение молекулы транскрипционного фактора ведет к "выключению" гена.

Для поиска "генов социального поведения" у пчел, ученые сканировали их геном в поисках транскрипционных факторов. Для этого использовалась оригинальный компьютерный алгоритм, при помощи которого статистически рассчитывали, коррелирует ли данный фактор транскрипции с генами, экспрессия которых включается или выключается при изменении социальной роли пчел (переход от роли "нянек" к роли "фуражиров").

В результате было обнаружено пять различных транскрипционных факторов, для которых выявлена статистически значимая корреляция с генами, имеющими отношение к социальному поведению индивидуальных особей. По-видимому, те же самые генные последовательности, которые вовлечены в развитие нервной системы у мушек-дрозофил, были использованы природой снова, но уже для регулирования поведенческих функций у пчел.

Это говорит не только об "экономности" природы, но и указывает на пути эволюции функций генных аппаратов живых существ. Соответственно, можно предположить, что и у людей генная регуляция общественного поведения строится на аналогичных принципах, которые еще предстоит исследовать.