En las colonias de hormigas carpinteras de Florida, distintas castas de trabajadores llamadas menores y mayores exhiben diferencias pronunciadas en el comportamiento social a lo largo de sus vidas. En un nuevo estudio publicado hoy en ciencia , un equipo de varias instituciones anclado en la Universidad de Pensilvania descubrió que estos comportamientos específicos de la casta no están escritos en piedra. Más bien, este estudio pionero muestra que el comportamiento social puede reprogramarse, lo que indica que la composición epigenética, no genética, de un individuo determinacomportamiento en colonias de hormigas.
La epigenética es el estudio de cambios estables o persistentes en la expresión génica que ocurren sin cambios en la secuencia de ADN. Se ha observado que la regulación epigenética afecta una variedad de rasgos distintos en los animales, incluidos el tamaño corporal, el envejecimiento y el comportamiento. Sin embargo,existe una enorme brecha en el conocimiento sobre los mecanismos epigenéticos que regulan el comportamiento social.
Las hormigas proporcionan modelos ideales para estudiar el comportamiento social, porque cada colonia está compuesta por miles de hermanas individuales, la reina y todos los trabajadores son mujeres, con una composición genética casi idéntica, muy parecida a los gemelos humanos. Sin embargo, estas hermanas poseenrasgos físicos y comportamientos estereotípicamente distintos basados en la casta.
En un estudio anterior, los autores crearon los primeros mapas epigenéticos de todo el genoma en las hormigas. Esto reveló que la regulación epigenética es clave para distinguir a los mayores como los soldados "musculosos" de las colonias de hormigas carpinteras, en comparación con los menores, sus cerebros más pequeños y más cerebrales."hermanas. Las hormigas mayores tienen cabezas grandes y mandíbulas poderosas que ayudan a derrotar a los enemigos y procesar y transportar alimentos grandes. Las hormigas menores son mucho más pequeñas, superan en número a las mayores de dos en uno, y asumen la importante responsabilidad de buscar comida y reclutar otras hormigas paraayuda con la cosecha. En comparación con los mayores, estos menores de forrajeo tienen genes involucrados en el desarrollo cerebral y la neurotransmisión que se sobreexpresan
En los nuevos hallazgos, un equipo de investigación interdisciplinario dirigido por la autora principal Shelley Berger, PhD, de la Facultad de Medicina Perelman de la Universidad de Pennsylvania, en colaboración con equipos liderados por Juergen Liebig de la Universidad Estatal de Arizona y Danny Reinberg de Nueva YorkUniversity, descubrió que el comportamiento de búsqueda de alimento específico de la casta puede alterarse directamente, cambiando el equilibrio de los productos químicos epigenéticos llamados grupos acetilo unidos a los complejos de proteínas histonas, alrededor de los cuales las cadenas de ADN están envueltas en un núcleo celular. Para revelar este control exquisito, el equipo demostróese comportamiento de búsqueda de alimento podría reprogramarse utilizando compuestos que inhiben la adición o eliminación de estos grupos acetilo en las histonas acetilación de histonas, cambiando a su vez la expresión de genes cercanos.
Berger es profesora de la Universidad Daniel S. Och en los departamentos de Biología Celular y del Desarrollo, Biología y Genética. También es directora del Programa Penn de Epigenética.
"Los resultados sugieren que la maleabilidad conductual en hormigas, y probablemente en otros animales, puede regularse de forma epigenética mediante la modificación de histonas", dijo el autor principal Daniel F. Simola, PhD, investigador postdoctoral en el Departamento de Células y Desarrollo de PennBiología. Simola es coautora principal con Riley Graham, estudiante de doctorado en el laboratorio de Berger.
Se trata de la histona
La colaboración de casi una década entre los laboratorios Berger, Liebig y Reinberg, con el apoyo del Instituto Médico Howard Hughes, combina la biología molecular con observaciones del comportamiento animal para comprender cómo surgen las diferencias basadas en castas en las hormigas.
Las hormigas, así como las termitas, y algunas abejas y avispas, son especies eusociales o "verdaderamente sociales". El trabajo previo sugirió que la acetilación de histonas podría crear diferencias dramáticas en la expresión génica entre individuos genéticamente idénticos, contribuyendo a las diferencias físicas entamaño corporal y capacidad reproductiva entre castas de hormigas.
El estudio actual amplía esta narrativa al mostrar que los comportamientos de las castas también están regulados por cambios epigenéticos en la acetilación de histonas. Para ello, el equipo utilizó el hecho de que la estructura de la cromatina, el enrollamiento del ADN alrededor de las proteínas de histona, puede seralterado por la adición de grupos acetilo, que finalmente cambia la compactación del genoma. Las modificaciones como la acetilación de histonas permiten que el ADN se desenrolle, mientras que otros hacen que el ADN se vuelva muy compacto e inaccesible para las proteínas que regulan la expresión génica.
Saber que las modificaciones de histonas se usan para establecer características específicas de diferentes tejidos dentro de un individuo llevó al equipo a preguntar si las modificaciones de histonas también podrían usarse para crear diferencias en rasgos como el comportamiento social entre individuos, en particular los mayores musculosos y los menores inteligentes.
en el ciencia artículo, el equipo alimentó a los menores de forrajeo con un inhibidor químico que evita que las células eliminen los grupos acetilo de las histonas. Este tratamiento mejoró la búsqueda de alimento y la búsqueda de alimentos y, en consecuencia, condujo a un aumento de la acetilación de histonas cerca de genes involucrados en la actividad neuronal. Por el contrario, inhibió lala adición de grupos acetilo condujo a una disminución de la actividad de alimentación.
En contraste con el aumento dramático en el forrajeo observado en menores, alimentar a los trabajadores mayores maduros con estos inhibidores causó poco o ningún aumento en el forrajeo. Sin embargo, el equipo descubrió que inyectar directamente estos inhibidores epigenéticos en los cerebros de los mayores muy jóvenes aumentó inmediatamente el forrajeo,alcanzando niveles que normalmente solo se observan en menores de edad. Además, un solo tratamiento con estos inhibidores fue suficiente para inducir y mantener el forrajeo de menor importancia en las mayores por hasta 50 días. Estos resultados sugieren que existe una "ventana de vulnerabilidad epigenética" en jóvenescerebros de hormigas, que confieren una mayor susceptibilidad a las manipulaciones ambientales, como con los inhibidores modificadores de la histona.
Berger observa que todos los genes que se sabe que son los principales reguladores epigenéticos en los mamíferos también están presentes en las hormigas, lo que las convierte en "un modelo fantástico para estudiar los principios de la modulación epigenética del comportamiento e incluso la longevidad, porque las reinas tienen una vida útil mucho más larga en comparacióna los trabajadores mayores y menores. Debido a la notable ventana que hemos descubierto, las hormigas también brindan una oportunidad extraordinaria para explorar y comprender los procesos epigenéticos que entran en juego para establecer patrones de comportamiento a una edad temprana. Este es un tema de creciente interés de investigaciónen humanos, debido a la creciente prevalencia de trastornos y enfermedades del comportamiento y la apreciación de que la dieta puede influir en el comportamiento ".
Implicaciones más amplias
Un gen importante implicado en el estudio de las hormigas es la CBP, que es una enzima "escritora" epigenética que altera la cromatina al agregar grupos acetilo a las histonas. La CBP ya había sido implicada como una enzima crítica que facilita el aprendizaje y la memoria en ratones y está mutada enciertos trastornos cognitivos humanos, en particular el síndrome de Rubinstein-Taybi. Por lo tanto, los hallazgos del equipo sugieren que la acetilación de histonas mediada por CBP también puede facilitar complejas interacciones sociales encontradas en especies de vertebrados.
Los autores sospechan que el papel de la CBP como enzima escritora epigenética contribuye a los patrones de acetilación de histonas que mejoran las vías de memoria relacionadas con los comportamientos aprendidos, como la búsqueda de alimento. Las diferencias en la actividad de la CBP entre las castas menores y mayores pueden guiar patrones únicos de expresión génica que se afinanfunciones neuronales para cada casta.
"De los estudios en mamíferos, está claro que esta es una proteína importante involucrada en el aprendizaje y la memoria", señaló Berger. "El hallazgo de que la CBP desempeña un papel clave en el establecimiento de comportamientos sociales distintos en las hormigas sugiere que los descubrimientos realizados en las hormigas puedenimplicaciones amplias para entender la organización social "
El equipo de Berger ahora se centra en definir con precisión la "ventana epigenética de vulnerabilidad" y sus características moleculares clave. Explica que "comprender los mecanismos de cuándo y cómo se abre esta ventana y cómo se mantienen los cambios, y por qué la ventanase cierra a medida que las hormigas mayores envejecen: pueden tener profundas implicaciones para explicar la vulnerabilidad humana a las exposiciones tempranas de la vida ".
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Materiales proporcionado por Facultad de medicina de la Universidad de Pensilvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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