《细胞》：从“打工人”变身“女王” 竟然如此简单？

和人类一样，蚂蚁属于社会性动物。个体渺小但数量众多的蚂蚁集合成群体，征服了地球的角角落落。

蚂蚁们在群体中分工明确，各司其职。有些属于“职虫”，负责外出觅食、对抗入侵者；有的被称为“女王”，主要任务是在家生产后代；这些不同的身份被称为不同的社会等级（caste）。

蚂蚁的等级往往在其幼虫发育阶段就定了下来。不过，跳镰猛蚁（Harpegnathos saltator）有点特别，它们在成年阶段仍有可能转变自己的等级。当蚁群中的女王死去或被人为移除，职虫们会进行激烈的决斗，最终的获胜者转变社会角色，不再干职虫的活儿，而是展现出繁殖能力和对其他职虫的指挥，与此同时还伴随着寿命长达5倍的延长。

▲一只跳镰猛蚁张开颚展示自己的凶悍（图片来源：参考资料[2]；Credit：Karl Glastad /Berger Lab，CC BY-SA）

尽管行为的转变是巨大的，但调控这种复杂转变的开关却出人意料的简单——仅仅只需一种蛋白在大脑中“打开”和“关闭”不同的基因。近日，宾夕法尼亚大学的科学家在顶尖学术期刊《细胞》上报告了他们的发现。

在转变身份的蚂蚁体内，有两种激素的浓度发生了很大变化，即保幼激素（简称JH）和蜕皮激素（简称E），这些激素的变化对于蚂蚁生殖能力有直接的影响。

有意思的是，科学家们发现，这些激素也让蚂蚁的神经细胞发生了变化。他们开发了一种新的实验方法，分离出蚂蚁的神经细胞，放在培养皿中培养，探索这些神经元在不同的激素环境下表达的基因有什么差异。

▲体外培养蚂蚁的神经元（图片来源：参考资料[1]）

实验结果表明，处于不同的等级时，蚂蚁神经元中有2000多个基因的激活模式不一样，这些基因的功能涵盖了发育、代谢和神经元功能等。然而令人意外的是，这些差异并非由两套系统分别指挥，而是可以归结到同一个名为Kr-h1的转录因子。具体来说，Kr-h1起到了转录抑制剂的作用，在不同的激素水平下，它结合在DNA的不同位置，关闭不同基因。

▲研究示意图：一个开关，让蚂蚁的大脑从一种基因表达模式转变为另一种模式，社会等级及其相应行为也发生转笔（图片来源：参考资料[1]）

这个发现也让我们对大脑的可塑性可以有更深的认识：在蚂蚁身上，基因组中包含了多种行为模式，而对一个分子进行调控，就可能对蚂蚁的行为产生重大影响；在比蚂蚁更复杂的大脑中，很有可能也有类似的蛋白质，具有这样四两拨千斤的作用。

注：原文有删减

参考资料：

[1] Kr-h1 maintains distinct caste-specific neurotranscriptomes in response to socially regulated hormones. Cell Doi: 10.1016/j.cell.2021.10.006

[2] Single molecule controls unusual ants’ switch from worker to queen-like status. Retrieved Nov. 5, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/933141