Учёные раскрыли, как муравьи поддерживают уникальную систему обоняния

Муравьи-клоны. Автор: Даниэль Кронауэр

Социальная организация муравьёв основана на запахах. Феромоны направляют этих насекомых к пище, предупреждают об опасности и регулируют жизнь колонии. Эта химическая система коммуникации подчиняется простому правилу: один рецептор — один нейрон.

Геномы муравьёв содержат сотни генов обонятельных рецепторов, каждый из которых настроен на определённые химические вещества. Если бы нейрон экспрессировал несколько рецепторов одновременно, сигналы в мозге смешивались бы, и муравей терял бы своё тонкое обоняние.

Учёные, работающие с муравьями-клонами (clonal raider ant), обнаружили уникальный процесс, благодаря которому каждый нейрон выбирает единственный обонятельный рецептор из обширной библиотеки генов. Результаты исследования, опубликованные в журнале Current Biology, разрешили давнюю загадку о том, как муравьи сохраняют чёткость сенсорных сигналов.

«Мы описываем новую форму регуляции генов», — говорит Даниэль Кронауэр, руководитель Лаборатории социальной эволюции и поведения в Рокфеллеровском университете.

Один рецептор — один нейрон

Центральный принцип обоняния заключается в том, что каждый нейрон должен иметь свою молекулярную идентичность. «Это своего рода догма в сенсорной нейробиологии», — поясняет Джакомо Глотцер, аспирант лаборатории Кронауэра.

Разные виды решают «головоломку одного рецептора» по-разному. Плодовые мушки полагаются на молекулярные переключатели, которые активируют или деактивируют отдельные гены. Млекопитающие используют более хаотичный подход, случайным образом перетасовывая хроматин в каждом нейроне.

Было неизвестно, используют ли муравьи стратегию, похожую на мушиную или мышиную, или же совершенно иную. В отличие от плодовых мух, у которых около 60 обонятельных рецепторов, у муравьёв их несколько сотен — сопоставимо с млекопитающими.

Исследователи обнаружили, что когда нейрон муравья включает выбранный ген рецептора, РНК-полимераза продолжает движение за нормальную конечную точку гена, «залезая» на гены, расположенные ниже по течению. Эти «прочитанные» транскрипты остаются в ядре, и, вероятно, именно их производство заглушает нижележащие гены. Одновременно нейрон генерирует «антисмысловые» РНК в противоположном направлении, которые блокируют гены выше по течению.

«Когда мы разобрали механизм на составные части, то обнаружили, что эта стратегия служит для подавления локальной геномной среды, давая клетке её уникальную рецепторную идентичность», — говорит Парвиз Даниэль Хеджази Пастор, сотрудник лаборатории Кронауэра.

За пределами муравьёв-клонов

Команда подтвердила, что этот же механизм работает и у других социальных насекомых, включая индийского прыгающего муравья и медоносную пчелу. Эти находки поднимают возможность того, что многие насекомые, как социальные, так и несоциальные, используют транскрипционный интерференцию для поддержания соотношения 1:1 между рецепторами и нейронами.

«Этот механизм может быть распространён даже шире, чем мы думали, особенно среди видов насекомых с большим репертуаром генов обонятельных рецепторов», — говорит Кронауэр. — «Вполне возможно, что плодовые мушки являются исключением».

Результаты также указывают на потенциальный механизм, объясняющий, как муравьи быстро расширяют своё обоняние за относительно короткое эволюционное время.

«Как только такая система появляется, она может усложняться, ничего не нарушая», — отмечает Кронауэр. — «Мы предполагаем, что такой тип генной регуляции способствует быстрой эволюции новых обонятельных рецепторов у муравьёв».

Больше информации: Current Biology (2025).

Источник: Rockefeller University