Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι η γήρανση και η μακροβιότητα (L) μπορεί να εξαρτάται από την πρώιμη ανάπτυξη ενός οργανισμού [1].
Παρά τις πολυάριθμες αποδείξεις που μας παρέχει ο οντογενετικός προγραμματισμός οι μηχανισμοί του έχουν ελάχιστα κατανοηθεί.
Ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο για τη μελέτη αυτών των μηχανισμών είναι τα κοινωνικά έντομα με το σύστημα των καστών, τα οποία έχουν σημαντικές διαφορές στο θέμα της μακροβιότητας [2]. Για παράδειγμα, στην Ευρωπαϊκή μέλισσα Apis mellifera, μη γονιμοποιημένο αυγό θα εξελιχθεί σε κηφήνα (drones), και γονιμοποιημένο σε θηλυκά (βασίλισσες και εργάτριες) [3].
Η Βασίλισσα είναι αναπαραγωγικά ενεργή ενώ οι εργάτριες στείρες, παρ’ όλο που έχουν αναπαραχθεί με το ίδιο γενετικό υλικό (γονιμοποιημένα αυγά). Από την άλλη μεριά η Βασίλισσα είναι μεγαλύτερη και μακρύτερη από τις εργάτριες και η μακροβιότητα της είναι και 100 φορές μεγαλύτερη αυτής των εργατριών.
Η μακροβιότητα των εργατριών είναι 15-38 ημέρες κατά την καλοκαιρινή περίοδο και 150-200 ημέρες στη διάρκεια του χειμώνα, ενώ η βασίλισσες ζουν 1-2 χρόνια.
Για το αν θα γίνει εργάτρια ή βασίλισσα μια προνύμφη εξαρτάτε από την σύνθεση της τροφής της κατά την διάρκεια του σταδίου της λάρβας.
Οι Βασίλισσες αναπτύσσονται από προνύμφες και τρέφονται με βασιλικό πολτό καθώς μεγαλώνουν. Οι εργάτριες στο τελικό στάδιο της προνύμφης τροφοδοτούνται από ένα είδος ζελέ για εργάτριες (νερό-μέλι-γύρη), ένα υπόστρωμα που δεν είναι τόσο εμπλουτισμένο με θρεπτικές ουσίες.
Διαπιστώθηκε ότι ο ρόλος κλειδί στον προγραμματισμό οντογένεσης και έκφρασης των καστών λαμβάνει χώρα από επιγενετικές αλλαγές κατά το πρώιμο στάδιο οντογένεσης. (π.χ. αλλαγές στην γονιδιακή έκφραση που δεν οφείλονται σε εναλλαγές του DNA) και επαναλαμβάνεται στις κυταροδιαιρέσεις του οργανισμού καθ’ όλη την διάρκεια της ζωής του.
Οι παρακάτω υπό ενότητες παρέχουν αποδείξεις στην ύπαρξη επιγενετικών παραγόντων που καθορίζουν τις κάστες των κοινωνικών εντόμων.
ΜEΘΥΛΙΩΣΗ ΤΟΥ DNA
Η προσθήκη ενός μεθυλίου (-CH3) στις βάσεις κυτοσίνης του DNA είναι ο βασικός μηχανισμός της έκφρασης των καστών στα κοινωνικά έντομα. Σε διάφορα είδη εντόμων η μεθυλίωση των περιοχών CpG (Κομμάτια DNA εμπλουτισμένα με ζεύγη CG [Κυτοσίνης –Γουανίνης]) στα σημεία του εκκινητή αναστέλλει την μεταγραφή του.
Η γήρανση των διαφόρων ειδών έχει σχέση με την συνολική υπομεθυλίωση του γονιδιώματος παρόλο που παρατηρείται υπερμεθυλίωση σε ορισμένους εκκινητές. Σε αντίθεση με τα σπονδυλωτά όπου η υπομεθυλίωση ή υπερμεθυλίωση λαμβάνει χώρα καθ΄ όλη την διάρκεια της ζωής τους, σε κάποια είδη εντόμων συμπεριλαμβανομένου και της Drosophila και Tribolium αυτό λαμβάνει χώρα κατά τα πρώιμα στάδια της εμβρυογένεσης.
Πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, έχουν αποδείξει ότι αυτός ο μηχανισμός ρύθμισης έκφρασης γονιδίου είναι σημαντικός στην οντογένεση των κοινωνικών εντόμων.
Όταν καταστέλλεται η έκφραση του γονιδίου Dnmt3 (παράγει ένα ένζυμο που καταστέλλει την μεθυλίωση του DNA) σε προνύμφες μελισσών από μικρό τμήμα παρεμβαλλόμενο RNA (siRNA), το 72% της εκκόλαψης θηλυκών είχαν μορφολογικά σημάδια βασίλισσας [10].
Αποκαλύφθηκε ότι περισσότερα από 550 διαφορετικά γονίδια ήταν μεθυλιωμένα στον εγκέφαλο των μελισσών εργασίας και βασίλισσας [11].
Κατά τη διάρκεια της πολυγενοματικής μελέτης, 2399 από τα 6086 γονίδια που διερευνώνται από την S. Foret et al. είχαν διαφορετικά χαρακτηριστικά μεθυλίωσης στα κεφάλια των προνυμφών που ανήκουν σε διαφορετικές κάστες [12].
Η πιο σημαντικές αλλαγές που βρέθηκαν ήταν στα μονοπάτια σηματοδότησης της ινσουλίνης και της νεανικής ορμόνης (JH), καθώς επίσης και της κινάσης, ένζυμο του αναπλαστικού λεμφώματος, ένας σημαντικός μεταβολικός ρυθμιστής. Το επίπεδο της μεθυλίωσης CpG σε ορισμένες τοποθεσίες της hexamerin 110, γονιδίου το οποίο κωδικοποιεί το επίπεδο αποθήκευσης της πρωτεΐνης διέφερε μεταξύ της προνύμφης [13].
Αλλαγές στο διατροφικό καθεστώς των προνυμφών επηρέασε τα χαρακτηριστικά της μεθυλίωσης κάποιων περιοχών του γονιδίου ρ62 dynactin, το οποίο είναι ένας σημαντικός ρυθμιστής στην σίτιση στα έντομα [14].
Οι προνύμφες από διαφορετικές κάστες στην ηλικία των 2, 4, και 6 ημερών διακρίνονται από διαφορές στο επίπεδο της συνολικής μεθυλίωσης [15]. Η δυναμική των αλλαγών σε αυτήν την παράμετρο ήταν επίσης διαφορετική: το επίπεδο της μεθυλίωσης του DNA σε προνύμφες που προορίζονταν για βασίλισσα αυξήθηκε από τη δεύτερη έως τέταρτη ημέρα της προνύμφης και στη συνέχεια κατέβηκε, ενώ έδειξε μια τάση προς αύξηση σε όλες τις ηλικιακές ομάδες στις προνύμφες των μελισσών εργασίας. Ο συνολικός αριθμός των διαφορετικά μεθυλιωμένων γονιδίων αυξάνεται με την ηλικία: 725 γονίδια σε προνύμφες 2 ημέρας, 3.013 γονίδια σε προνύμφες 4 ημερών και 5.049 γονίδια στις παλιές προνύμφες 6 ημερών. Επιπλέον, το επίπεδο μεθυλίωσης των περισσοτέρων γονίδιων από αυτά στην ηλικία των 4 και 6 ημερών ήταν σημαντικά χαμηλότερη σε προνύμφες που προορίζονταν για προνύμφες σε σχέση με αυτές που προορίζονταν για βασίλισσες. Οι πιο έντονη διαφορά βρέθηκε στις γενετικές θέσεις που σχετίζονται με τον έλεγχο της ανάπτυξης, του μεταβολισμού, και της αναπαραγωγής.Ο ρόλος της μεθυλίωσης του DNA κατά τη διαδικασία της διαφοροποίησης κάστας έχει επίσης διερευνηθεί σε μυρμήγκια, συμπεριλαμβανομένων Camponotus floridanus και Harpegnathos saltator [16]. Οι πιο έντονες διαφορές βρέθηκαν στα γονίδια που εμπλέκονται στη ρύθμιση της χημικής επικοινωνίας και νευρωνικές λειτουργίες [17].
Εναλλακτικό Μάτισμα
Το εναλλακτικό μάτισμα (διαδικασία κατά την οποία τα γονίδια συνδέονται μεταξύ τους σε διάφορους συνδυασμούς, σχηματίζοντας έτσι διαφορετικά mRNA και, κατά συνέπεια, ισόμορφές πρωτεΐνες) είναι σημαντική στην διαφοροποίηση της κάστας [12]. Ο F. Lyko et al., Αφού έχει διενεργήσει την πολυγενοματική μελέτη της μεθυλίωσης του DNA στον εγκέφαλο των μελισσών από διαφορετικές κάστες, έδειξε ότι τα μεθυλιωμένα CpGs εντοπίζονται κυρίως στις περιοχές που επηρεάζονται από εναλλακτικό μάτισμα [11]. Αυτό το μοτίβο βρέθηκε, μεταξύ άλλων, για τα γονίδια που κωδικοποιούν τις ιστόνες (περιοχές του DNA).
Τροποποιήσεις των Ιστόνων.
Οι τροποποιήσεις της χρωματίνης ιστονών είναι ένας άλλος σημαντικός μηχανισμός στην επιγενετική ρύθμιση του φαινοτύπου των κοινωνικών εντόμων. Η ακετυλίωση των υπολειμμάτων λυσίνης των ιστονών μέσω των ακετυλτρανσφεράσων ιστόνης είναι ο πιο γνωστός μηχανισμός που συνδέεται, κατά κανόνα, με την ενεργοποίηση του γονιδίου που παράγει την Δεακετυλάση ιστονών, αντιθέτως, αν αφαιρέσουμε τις ακετυλομάδες από τις «ουρές» των ιστονών, οδηγούμαστε στην συμπύκνωση της δομής της χρωματίνης και, ως εκ τούτου, καταστολή της μεταγραφής [18].
Οι διαφορές στον εντοπισμό του Η3 της τροποποιημένης ιστόνης παρατηρήθηκαν μεταξύ διαφορετικών καστών στο μυρμήγκι Camponotus floridanus [19]. Αυτές οι διαφορές ήταν πιο έντονες όσον αφορά την λυσίνη 27 της Η3 ιστόνης (H3K27ac). Τα περισσότερα γονίδια στα οποία βρέθηκαν, εμπλέκονται στη ρύθμιση των νευρολογικών διαδικασιών, των αντιδράσεων στις αισθήσεις, και την ανάπτυξη των μυϊκών ιστών. Αποδείχθηκε επίσης ότι ο έλεγχος των χαρακτηριστικών μεταξύ των καστών στις μέλισσες εξαρτάται από τη δραστηριότητα του αναστολέα της ιστόνης δεακετυλάσης στο βασιλικό πολτό [20].
microRNAs
Ένα σημαντικό ρόλο στη διαφοροποίηση της κάστας παίζεται από μικρές, μη κωδικοποιημένες περιοχές του RNA (microRNA). Η ανάλυση του σχηματισμού των ινών των microRNA, που εκφράζετε διαφορετικά σε κάθε κάστα, έδειξε ότι τα περισσότερα γονίδια κοντά σε αυτά τα microRNAs, σύμφωνα με τη βάση δεδομένων "Gene Ontology" που περιέχει τους ενιαίους όρους για σχολιασμό των γονιδίων και των γονιδιακών προϊόντων όλων των βιολογικων είδών, σχετίζονται με τους όρους "πυρήνας", "Φυσιολογική διαδικασία," και "αντίδραση στο στρες» [21]. Ο αριθμός των μερικών microRNAs στο υπόστρωμα τροφής κατά την οποία το μεγαλύτερο μέρος της ανάπτυξης των προνυμφών εργατριών εμφανίζεται (ζελέ εργατριών) είναι σημαντικά (μερικές φορές κατά παραγγελία) υψηλότερη από ότι στο βασιλικό πολτό. Τα περισσότερα από αυτά τα RNA συνδέονται με την ανάπτυξη του κεντρικού νευρικού συστήματος. Η έκφραση τους είναι 2-4 φορές υψηλότερη σε προνύμφες εργατριών από ό, τι σε αυτά που προορίζονται για βασίλισσα. Είναι ενδιαφέρον ότι, η προσθήκη ακόμη και μιας μικρής ποσότητας ιδίως microRNAs (συμπεριλαμβανομένων MIR 184) στο βασιλικό πολτό, σύμφωνα με την «βασιλική οντογενετική τροχιά," οδηγεί στην ανάπτυξη των μελισσών με μορφολογικά χαρακτηριστικά που πλησιάζουν αυτά των εργατριών.
Η έκφραση του φύλου
Οι τροποποιήσεις των ιστονών της χρωματίνης, καθώς και οι αλλαγές στη μεθυλίωση του DNA και της σύνθεσης microRNA, είναι αλλαγές σκανδάλη στην έκφραση των γονιδίων που ελέγχουν διάφορες πτυχές του κύκλου ζωής των κοινωνικών εντόμων, συμπεριλαμβανομένης της γήρανσης και της μακροζωίας. Τα περισσότερα γονίδια εκδηλώνουν καθαρά και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά έκφρασης στο στάδιο της ανάπτυξης της προνύμφης που συμμετέχουν στον ελέγχο των μεταβολικών οδών [23-25]. Οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες χαρακτηρίζονται από αυξημένο επίπεδο στην έκφραση των περισσότερων γονιδίων που κωδικοποιούν μεταβολικά ένζυμα, τα οποία, κατά πάσα πιθανότητα, επιδρούν στην επιτάχυνση της ανάπτυξης κατά το τελικό στάδιο της προνύμφης [24], όπως καθώς και η έκφραση του γονιδίου που κωδικοποιεί το AmIF 2mT, ενα ένζυμο με δράση επί της υδρολάσης και με δράση οξειδοαναγωγάσης στις προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσα [25].
Οι νεαρές προνύμφες των εργατριών έχουν ένα αυξημένο επίπεδο έκφρασης των εξαμερικών πρωτεϊνών αποθήκευσης, dihydrodiol, δευδρογονάσες, πρωτεΐνες θερμικού σοκ 70 και 90, πολλές πρωτεΐνες που σχετίζονται με την επεξεργασία των RNA και μετατροπή, καθώς και ένα ένζυμο από το κυτόχρωμα Ρ 450 σύστημα [23]. Οι διαφορές μεταξύ των καστών βρέθηκαν επίσης ως προς την έκφραση των γονιδίων που κωδικοποιούν μιτοχονδριακές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένου ενός γονίδιου που κωδικοποιεί την υπομονάδα οξειδάσης του κυτοχρώματος 1 και το γονίδιο που κωδικοποιεί το κυτόχρωμα C [23].
Οι βασίλισσες και οι εργάτριες στα τρία πρώτα στάδια της προνύμφης διαφέρουν σε πολλά ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά του μιτοχονδριακού πρωτεώματος [26]. Ειδικότερα, οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσα είχαν υψηλότερο επίπεδο έκφρασης των πρωτεϊνών που σχετίζονται με τον μεταβολισμό των υδατανθράκων, αμινοξέα και λιπαρά οξέα, καθώς επίσης και ένζυμα που συμμετέχουν στην αναδίπλωση των πρωτεϊνών. Σημαντικές πληροφορίες για τις γενετικές διαδικασίες που εμπλέκονται στη διαφοροποίηση της κάστας ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της μελέτης των μεταγραφών των διαφορετικών καστών των μελισσών.
Έτσι, Ο Barchuk et al. έδειξαν ότι οι προνύμφες των βασιλισσών και των εργατριών έχουν διαφορετική έκφραση σε 240 γονιδία [27].
Στις προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες, σε σύγκριση με εκείνες των εργατριών, το επίπεδο έκφρασης των γονιδίων που σχετίζονται με τη ρύθμιση της ανάπτυξης μειώθηκε, ενώ εκείνη των γονιδίων που συμμετέχουν στην ρύθμιση του μεταβολισμού και την ανάπτυξη του οργανισμού αυξήθηκε. Τα περισσότερα γονίδια, σε σχέση με τα οποία παρουσιάστηκαν οι διαφορές στην έκφραση για τους εκπροσώπους των διαφόρων καστών, εμπλέκονται στην ανάπτυξη του εγκεφάλου, των άκρων, και των ωοθηκών, καθώς επίσης και στο σχηματισμό των συστατικών κυτταροσκελετού. Μια άλλη μελέτη του όλου προφίλ έκφρασης του γονιδιώματος έδειξε ότι τα περισσότερα γονίδια εκφράζονται διαφορετικά σε προνύμφες που ανήκουν σε διαφορετικές κάστες και συνδέονται με την ρύθμιση των ορμονών, το μεταβολισμό των πρωτεϊνών, την μεταφορά λιπιδίων, μετα μεταφραστική τροποποίηση πρωτεϊνών, διεργασίες μεταφοράς ενέργειας, και ριβοσωματικές βιογένεση [10]. Στη μελέτη των Chen et al., παρατηρήθηκε ότι βασίλισσες και εργάτριες έχουν πάνω από 4500 γονίδια που εκφράζονται διαφορετικά [28]. Σε κάθε στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης, περισσότερο από το 70% των διαφορικά εκφρασμένων γονιδίων εκδηλώνεται ένα υψηλότερο επίπεδο έκφρασης σε αυτές που προορίζονται για βασίλισσα από εκείνες των εργατριών, η οποία μπορεί να είναι μια ένδειξη ότι οι τελευταίες χαρακτηρίζονται από χαμηλότερη δραστικότητα μεταγραφής κατά τη διάρκεια της πρώιμης ανάπτυξης.
Στην μελέτη του ΕΚ. Grozinger et al. Παρουσιάζεται μια ολοκληρωτική ανάλυση του γονιδιώματος της γονιδιακής έκφρασης στον εγκέφαλο του ενήλικων ατόμων μεταξύ των βασιλισσών και εργατριών στην ίδια ηλικία (τόσο στείρα δείγματα όσο και εκείνα με τις ωοθήκες ενεργοποίησαν ωοτοκίας μέσω συγκεκριμένων διαδικασιών) [29]. Οι διαφορές αυτές μεταξύ των ενήλικων ατόμων βρέθηκαν να είναι ~ 2000 γονίδια. Τα στείρα και αναπαραγωγικά ενεργά δείγματα είχαν μόνο 221 τέτοια γονίδια. Αξίζει να σημειωθεί ότι, τα γονίδια των οποίων το επίπεδο έκφρασης ήταν σημαντικά αυξημένο σε βασίλισσες αποδείχθηκε ότι περιλαμβάνουν τις ομάδες γονιδίων που, όπως έχει αποδειχθεί στην έρευνα λειτουργούν και σε άλλο μοντέλο οργανισμών, συνδέθηκαν με τη μακροζωία. Οι διαφορές μεταξύ των καστών στο επίπεδο της έκφρασης βρέθηκαν επίσης σε ομάδες γονίδιων, πιθανώς στον προσδιορισμό της μακροβιότητας των μελισσών, όπως τα γονίδια που επηρεάζουν την αντίδραση σε υποξικό στρες. Οι προνύμφες των εργατριών είχαν ένα σημαντικό υψηλότερο επίπεδο μεταγραφής των υποξικών παραγόντων (HIFα / Sima, HIFβ / Tango, και PHD / Fatig) από την προνύμφη που προορίζεται για βασίλισσα [30]. Αποδείχθηκε ότι η ώριμη βασίλισσα έχει ένα υψηλότερο επίπεδο έκφρασης δύο γονιδίων που εμπλέκονται στις διαδικασίες επανόρθωσης και την πρόληψη της οξειδωτικής ζημιάς από τις εργάτριες της ίδιας ηλικίας. Περαιτέρω, η δραστικότητα αυτών των γονιδίων στην τελευταία τείνει να μειώνεται κατά τη διάρκεια της γήρανσης [31].
Οι διαφορές στην έκφραση των γονιδίων μεταξύ των καστών βρέθηκαν και σε άλλα είδη κοινωνικών εντόμων, όπως το Bombus terrestris [32]. Η μεγάλη διαφορετικότητα έκφρασης των γονιδίων στις προνύμφες που προορίζοντας για Βασίλισσα είχε ένα αυξημένο επίπεδο έκφρασης στα αρχικά στάδια ανάπτυξης και στα μεταγενέστερα στάδια των προνυμφών των εργατριών, η οποία μπορεί να είναι μια ένδειξη ότι η διαφοροποίηση των καστών του οργανισμού αυτού δεν εξαρτάται από την ποιοτική σύνθεση των εκφρασμένων γονιδίων, αλλά μάλλον με τις προϋποθέσεις στην έκφραση τους. Οι διαφορές μεταξύ των καστών με τον τρόπο της γονιδιακής έκφρασης βρέθηκαν σε ορισμένα είδη μυρμηγκιών. Αποδείχθηκε ότι διαφορετικές κάστες των Temnothorax longispinosus έχουν ~ 2500 γονίδια που εκφράζονται με διαφορετικό τρόπο [33]. Οι διαφορές μεταξύ των καστών στην έκφραση των γονιδίων chemosensory και ανοσοαπόκριση αποκαλύφθηκαν σε Atta vollenweideri [34]. Σε Lasius niger, ανιχνεύθηκαν ενδοκάστιες διαφορές στη φύση της έκφρασης όσον αφορά σε 16 γονίδια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που συνδέονται με τη μοριακή και φυσιολογία μηχανισμών στον προσδιορισμό της μακροβιότητας [35].Μέχρι σήμερα, μόνο μία μελέτη πλήρως αφιερωμένη στην έρευνα των γενετικών διαδικασιών που καθορίζουν την μακροβιότητα των κοινωνικών εντόμων έχει υλοποιηθεί [36]. Η εργασία αυτή επαληθεύει την ελεύθερη ριζών θεωρία της γήρανσης, όπου η διαδικασία αυτή προκαλείται από τη συσσώρευση οξειδωτικών βλαβών. Το επίπεδο έκφρασης των οκτώ γονιδίων που κωδικοποιούν τα ένζυμα κλειδιά του αντιοξειδωτικού συστήματος, καθώς και πέντε γονίδια που κωδικοποιούν τις πρωτεΐνες των αεραγωγών σε διάφορους ιστούς των μελισσών, έχουν προσδιοριστεί. Έχει αποδειχθεί ότι το επίπεδο έκφρασης στα γονίδια που μελετήθηκαν η αντιοξειδωτική προστασία μειώνεται με τη ηλικίας στις βασίλισσες, αλλά όχι στις εργάτριες. Το επίπεδο έκφρασης των μιτοχονδριακών γονιδίων που μελετήθηκαν αποδείχθηκε ότι ήταν υψηλό σε νεαρές βασίλισσες, αλλά μειώνεται γρήγορα με την ηλικία σε σύγκριση με τις εργάτριες. Με βάση τα δεδομένα που έχουν ληφθεί, οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μακροζωία των βασιλισσών δεν σχετίζεται με αυξημένη ικανότητα του αντιοξειδωτικού τους συστήματος, και οι διαφορές στο προσδόκιμο ζωής μεταξύ των καστών ορίζονται από την μεταβολική κατάσταση τους. Επιπλέον, προτείνεται ότι οι διαφορές μεταξύ των καστών μελισσών στην μακροβιότητα μπορεί να εξαρτάται από τη δραστικότητα των μιτοχονδριακών γονιδίων και το επίπεδο της παραγωγής αντιδραστικών μορφών οξυγόνου.
Παρά τις πολυάριθμες αποδείξεις που μας παρέχει ο οντογενετικός προγραμματισμός οι μηχανισμοί του έχουν ελάχιστα κατανοηθεί.
Ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο για τη μελέτη αυτών των μηχανισμών είναι τα κοινωνικά έντομα με το σύστημα των καστών, τα οποία έχουν σημαντικές διαφορές στο θέμα της μακροβιότητας [2]. Για παράδειγμα, στην Ευρωπαϊκή μέλισσα Apis mellifera, μη γονιμοποιημένο αυγό θα εξελιχθεί σε κηφήνα (drones), και γονιμοποιημένο σε θηλυκά (βασίλισσες και εργάτριες) [3].
Η Βασίλισσα είναι αναπαραγωγικά ενεργή ενώ οι εργάτριες στείρες, παρ’ όλο που έχουν αναπαραχθεί με το ίδιο γενετικό υλικό (γονιμοποιημένα αυγά). Από την άλλη μεριά η Βασίλισσα είναι μεγαλύτερη και μακρύτερη από τις εργάτριες και η μακροβιότητα της είναι και 100 φορές μεγαλύτερη αυτής των εργατριών.
Η μακροβιότητα των εργατριών είναι 15-38 ημέρες κατά την καλοκαιρινή περίοδο και 150-200 ημέρες στη διάρκεια του χειμώνα, ενώ η βασίλισσες ζουν 1-2 χρόνια.
Για το αν θα γίνει εργάτρια ή βασίλισσα μια προνύμφη εξαρτάτε από την σύνθεση της τροφής της κατά την διάρκεια του σταδίου της λάρβας.
Οι Βασίλισσες αναπτύσσονται από προνύμφες και τρέφονται με βασιλικό πολτό καθώς μεγαλώνουν. Οι εργάτριες στο τελικό στάδιο της προνύμφης τροφοδοτούνται από ένα είδος ζελέ για εργάτριες (νερό-μέλι-γύρη), ένα υπόστρωμα που δεν είναι τόσο εμπλουτισμένο με θρεπτικές ουσίες.
Διαπιστώθηκε ότι ο ρόλος κλειδί στον προγραμματισμό οντογένεσης και έκφρασης των καστών λαμβάνει χώρα από επιγενετικές αλλαγές κατά το πρώιμο στάδιο οντογένεσης. (π.χ. αλλαγές στην γονιδιακή έκφραση που δεν οφείλονται σε εναλλαγές του DNA) και επαναλαμβάνεται στις κυταροδιαιρέσεις του οργανισμού καθ’ όλη την διάρκεια της ζωής του.
Οι παρακάτω υπό ενότητες παρέχουν αποδείξεις στην ύπαρξη επιγενετικών παραγόντων που καθορίζουν τις κάστες των κοινωνικών εντόμων.
ΜEΘΥΛΙΩΣΗ ΤΟΥ DNA
Η προσθήκη ενός μεθυλίου (-CH3) στις βάσεις κυτοσίνης του DNA είναι ο βασικός μηχανισμός της έκφρασης των καστών στα κοινωνικά έντομα. Σε διάφορα είδη εντόμων η μεθυλίωση των περιοχών CpG (Κομμάτια DNA εμπλουτισμένα με ζεύγη CG [Κυτοσίνης –Γουανίνης]) στα σημεία του εκκινητή αναστέλλει την μεταγραφή του.
Η γήρανση των διαφόρων ειδών έχει σχέση με την συνολική υπομεθυλίωση του γονιδιώματος παρόλο που παρατηρείται υπερμεθυλίωση σε ορισμένους εκκινητές. Σε αντίθεση με τα σπονδυλωτά όπου η υπομεθυλίωση ή υπερμεθυλίωση λαμβάνει χώρα καθ΄ όλη την διάρκεια της ζωής τους, σε κάποια είδη εντόμων συμπεριλαμβανομένου και της Drosophila και Tribolium αυτό λαμβάνει χώρα κατά τα πρώιμα στάδια της εμβρυογένεσης.
Πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, έχουν αποδείξει ότι αυτός ο μηχανισμός ρύθμισης έκφρασης γονιδίου είναι σημαντικός στην οντογένεση των κοινωνικών εντόμων.
Όταν καταστέλλεται η έκφραση του γονιδίου Dnmt3 (παράγει ένα ένζυμο που καταστέλλει την μεθυλίωση του DNA) σε προνύμφες μελισσών από μικρό τμήμα παρεμβαλλόμενο RNA (siRNA), το 72% της εκκόλαψης θηλυκών είχαν μορφολογικά σημάδια βασίλισσας [10].
Αποκαλύφθηκε ότι περισσότερα από 550 διαφορετικά γονίδια ήταν μεθυλιωμένα στον εγκέφαλο των μελισσών εργασίας και βασίλισσας [11].
Κατά τη διάρκεια της πολυγενοματικής μελέτης, 2399 από τα 6086 γονίδια που διερευνώνται από την S. Foret et al. είχαν διαφορετικά χαρακτηριστικά μεθυλίωσης στα κεφάλια των προνυμφών που ανήκουν σε διαφορετικές κάστες [12].
Η πιο σημαντικές αλλαγές που βρέθηκαν ήταν στα μονοπάτια σηματοδότησης της ινσουλίνης και της νεανικής ορμόνης (JH), καθώς επίσης και της κινάσης, ένζυμο του αναπλαστικού λεμφώματος, ένας σημαντικός μεταβολικός ρυθμιστής. Το επίπεδο της μεθυλίωσης CpG σε ορισμένες τοποθεσίες της hexamerin 110, γονιδίου το οποίο κωδικοποιεί το επίπεδο αποθήκευσης της πρωτεΐνης διέφερε μεταξύ της προνύμφης [13].
Αλλαγές στο διατροφικό καθεστώς των προνυμφών επηρέασε τα χαρακτηριστικά της μεθυλίωσης κάποιων περιοχών του γονιδίου ρ62 dynactin, το οποίο είναι ένας σημαντικός ρυθμιστής στην σίτιση στα έντομα [14].
Οι προνύμφες από διαφορετικές κάστες στην ηλικία των 2, 4, και 6 ημερών διακρίνονται από διαφορές στο επίπεδο της συνολικής μεθυλίωσης [15]. Η δυναμική των αλλαγών σε αυτήν την παράμετρο ήταν επίσης διαφορετική: το επίπεδο της μεθυλίωσης του DNA σε προνύμφες που προορίζονταν για βασίλισσα αυξήθηκε από τη δεύτερη έως τέταρτη ημέρα της προνύμφης και στη συνέχεια κατέβηκε, ενώ έδειξε μια τάση προς αύξηση σε όλες τις ηλικιακές ομάδες στις προνύμφες των μελισσών εργασίας. Ο συνολικός αριθμός των διαφορετικά μεθυλιωμένων γονιδίων αυξάνεται με την ηλικία: 725 γονίδια σε προνύμφες 2 ημέρας, 3.013 γονίδια σε προνύμφες 4 ημερών και 5.049 γονίδια στις παλιές προνύμφες 6 ημερών. Επιπλέον, το επίπεδο μεθυλίωσης των περισσοτέρων γονίδιων από αυτά στην ηλικία των 4 και 6 ημερών ήταν σημαντικά χαμηλότερη σε προνύμφες που προορίζονταν για προνύμφες σε σχέση με αυτές που προορίζονταν για βασίλισσες. Οι πιο έντονη διαφορά βρέθηκε στις γενετικές θέσεις που σχετίζονται με τον έλεγχο της ανάπτυξης, του μεταβολισμού, και της αναπαραγωγής.Ο ρόλος της μεθυλίωσης του DNA κατά τη διαδικασία της διαφοροποίησης κάστας έχει επίσης διερευνηθεί σε μυρμήγκια, συμπεριλαμβανομένων Camponotus floridanus και Harpegnathos saltator [16]. Οι πιο έντονες διαφορές βρέθηκαν στα γονίδια που εμπλέκονται στη ρύθμιση της χημικής επικοινωνίας και νευρωνικές λειτουργίες [17].
Εναλλακτικό Μάτισμα
Το εναλλακτικό μάτισμα (διαδικασία κατά την οποία τα γονίδια συνδέονται μεταξύ τους σε διάφορους συνδυασμούς, σχηματίζοντας έτσι διαφορετικά mRNA και, κατά συνέπεια, ισόμορφές πρωτεΐνες) είναι σημαντική στην διαφοροποίηση της κάστας [12]. Ο F. Lyko et al., Αφού έχει διενεργήσει την πολυγενοματική μελέτη της μεθυλίωσης του DNA στον εγκέφαλο των μελισσών από διαφορετικές κάστες, έδειξε ότι τα μεθυλιωμένα CpGs εντοπίζονται κυρίως στις περιοχές που επηρεάζονται από εναλλακτικό μάτισμα [11]. Αυτό το μοτίβο βρέθηκε, μεταξύ άλλων, για τα γονίδια που κωδικοποιούν τις ιστόνες (περιοχές του DNA).
Τροποποιήσεις των Ιστόνων.
Οι τροποποιήσεις της χρωματίνης ιστονών είναι ένας άλλος σημαντικός μηχανισμός στην επιγενετική ρύθμιση του φαινοτύπου των κοινωνικών εντόμων. Η ακετυλίωση των υπολειμμάτων λυσίνης των ιστονών μέσω των ακετυλτρανσφεράσων ιστόνης είναι ο πιο γνωστός μηχανισμός που συνδέεται, κατά κανόνα, με την ενεργοποίηση του γονιδίου που παράγει την Δεακετυλάση ιστονών, αντιθέτως, αν αφαιρέσουμε τις ακετυλομάδες από τις «ουρές» των ιστονών, οδηγούμαστε στην συμπύκνωση της δομής της χρωματίνης και, ως εκ τούτου, καταστολή της μεταγραφής [18].
Οι διαφορές στον εντοπισμό του Η3 της τροποποιημένης ιστόνης παρατηρήθηκαν μεταξύ διαφορετικών καστών στο μυρμήγκι Camponotus floridanus [19]. Αυτές οι διαφορές ήταν πιο έντονες όσον αφορά την λυσίνη 27 της Η3 ιστόνης (H3K27ac). Τα περισσότερα γονίδια στα οποία βρέθηκαν, εμπλέκονται στη ρύθμιση των νευρολογικών διαδικασιών, των αντιδράσεων στις αισθήσεις, και την ανάπτυξη των μυϊκών ιστών. Αποδείχθηκε επίσης ότι ο έλεγχος των χαρακτηριστικών μεταξύ των καστών στις μέλισσες εξαρτάται από τη δραστηριότητα του αναστολέα της ιστόνης δεακετυλάσης στο βασιλικό πολτό [20].
microRNAs
Ένα σημαντικό ρόλο στη διαφοροποίηση της κάστας παίζεται από μικρές, μη κωδικοποιημένες περιοχές του RNA (microRNA). Η ανάλυση του σχηματισμού των ινών των microRNA, που εκφράζετε διαφορετικά σε κάθε κάστα, έδειξε ότι τα περισσότερα γονίδια κοντά σε αυτά τα microRNAs, σύμφωνα με τη βάση δεδομένων "Gene Ontology" που περιέχει τους ενιαίους όρους για σχολιασμό των γονιδίων και των γονιδιακών προϊόντων όλων των βιολογικων είδών, σχετίζονται με τους όρους "πυρήνας", "Φυσιολογική διαδικασία," και "αντίδραση στο στρες» [21]. Ο αριθμός των μερικών microRNAs στο υπόστρωμα τροφής κατά την οποία το μεγαλύτερο μέρος της ανάπτυξης των προνυμφών εργατριών εμφανίζεται (ζελέ εργατριών) είναι σημαντικά (μερικές φορές κατά παραγγελία) υψηλότερη από ότι στο βασιλικό πολτό. Τα περισσότερα από αυτά τα RNA συνδέονται με την ανάπτυξη του κεντρικού νευρικού συστήματος. Η έκφραση τους είναι 2-4 φορές υψηλότερη σε προνύμφες εργατριών από ό, τι σε αυτά που προορίζονται για βασίλισσα. Είναι ενδιαφέρον ότι, η προσθήκη ακόμη και μιας μικρής ποσότητας ιδίως microRNAs (συμπεριλαμβανομένων MIR 184) στο βασιλικό πολτό, σύμφωνα με την «βασιλική οντογενετική τροχιά," οδηγεί στην ανάπτυξη των μελισσών με μορφολογικά χαρακτηριστικά που πλησιάζουν αυτά των εργατριών.
Η έκφραση του φύλου
Οι τροποποιήσεις των ιστονών της χρωματίνης, καθώς και οι αλλαγές στη μεθυλίωση του DNA και της σύνθεσης microRNA, είναι αλλαγές σκανδάλη στην έκφραση των γονιδίων που ελέγχουν διάφορες πτυχές του κύκλου ζωής των κοινωνικών εντόμων, συμπεριλαμβανομένης της γήρανσης και της μακροζωίας. Τα περισσότερα γονίδια εκδηλώνουν καθαρά και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά έκφρασης στο στάδιο της ανάπτυξης της προνύμφης που συμμετέχουν στον ελέγχο των μεταβολικών οδών [23-25]. Οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες χαρακτηρίζονται από αυξημένο επίπεδο στην έκφραση των περισσότερων γονιδίων που κωδικοποιούν μεταβολικά ένζυμα, τα οποία, κατά πάσα πιθανότητα, επιδρούν στην επιτάχυνση της ανάπτυξης κατά το τελικό στάδιο της προνύμφης [24], όπως καθώς και η έκφραση του γονιδίου που κωδικοποιεί το AmIF 2mT, ενα ένζυμο με δράση επί της υδρολάσης και με δράση οξειδοαναγωγάσης στις προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσα [25].
Οι νεαρές προνύμφες των εργατριών έχουν ένα αυξημένο επίπεδο έκφρασης των εξαμερικών πρωτεϊνών αποθήκευσης, dihydrodiol, δευδρογονάσες, πρωτεΐνες θερμικού σοκ 70 και 90, πολλές πρωτεΐνες που σχετίζονται με την επεξεργασία των RNA και μετατροπή, καθώς και ένα ένζυμο από το κυτόχρωμα Ρ 450 σύστημα [23]. Οι διαφορές μεταξύ των καστών βρέθηκαν επίσης ως προς την έκφραση των γονιδίων που κωδικοποιούν μιτοχονδριακές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένου ενός γονίδιου που κωδικοποιεί την υπομονάδα οξειδάσης του κυτοχρώματος 1 και το γονίδιο που κωδικοποιεί το κυτόχρωμα C [23].
Οι βασίλισσες και οι εργάτριες στα τρία πρώτα στάδια της προνύμφης διαφέρουν σε πολλά ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά του μιτοχονδριακού πρωτεώματος [26]. Ειδικότερα, οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσα είχαν υψηλότερο επίπεδο έκφρασης των πρωτεϊνών που σχετίζονται με τον μεταβολισμό των υδατανθράκων, αμινοξέα και λιπαρά οξέα, καθώς επίσης και ένζυμα που συμμετέχουν στην αναδίπλωση των πρωτεϊνών. Σημαντικές πληροφορίες για τις γενετικές διαδικασίες που εμπλέκονται στη διαφοροποίηση της κάστας ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της μελέτης των μεταγραφών των διαφορετικών καστών των μελισσών.
Έτσι, Ο Barchuk et al. έδειξαν ότι οι προνύμφες των βασιλισσών και των εργατριών έχουν διαφορετική έκφραση σε 240 γονιδία [27].
Στις προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες, σε σύγκριση με εκείνες των εργατριών, το επίπεδο έκφρασης των γονιδίων που σχετίζονται με τη ρύθμιση της ανάπτυξης μειώθηκε, ενώ εκείνη των γονιδίων που συμμετέχουν στην ρύθμιση του μεταβολισμού και την ανάπτυξη του οργανισμού αυξήθηκε. Τα περισσότερα γονίδια, σε σχέση με τα οποία παρουσιάστηκαν οι διαφορές στην έκφραση για τους εκπροσώπους των διαφόρων καστών, εμπλέκονται στην ανάπτυξη του εγκεφάλου, των άκρων, και των ωοθηκών, καθώς επίσης και στο σχηματισμό των συστατικών κυτταροσκελετού. Μια άλλη μελέτη του όλου προφίλ έκφρασης του γονιδιώματος έδειξε ότι τα περισσότερα γονίδια εκφράζονται διαφορετικά σε προνύμφες που ανήκουν σε διαφορετικές κάστες και συνδέονται με την ρύθμιση των ορμονών, το μεταβολισμό των πρωτεϊνών, την μεταφορά λιπιδίων, μετα μεταφραστική τροποποίηση πρωτεϊνών, διεργασίες μεταφοράς ενέργειας, και ριβοσωματικές βιογένεση [10]. Στη μελέτη των Chen et al., παρατηρήθηκε ότι βασίλισσες και εργάτριες έχουν πάνω από 4500 γονίδια που εκφράζονται διαφορετικά [28]. Σε κάθε στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης, περισσότερο από το 70% των διαφορικά εκφρασμένων γονιδίων εκδηλώνεται ένα υψηλότερο επίπεδο έκφρασης σε αυτές που προορίζονται για βασίλισσα από εκείνες των εργατριών, η οποία μπορεί να είναι μια ένδειξη ότι οι τελευταίες χαρακτηρίζονται από χαμηλότερη δραστικότητα μεταγραφής κατά τη διάρκεια της πρώιμης ανάπτυξης.
Στην μελέτη του ΕΚ. Grozinger et al. Παρουσιάζεται μια ολοκληρωτική ανάλυση του γονιδιώματος της γονιδιακής έκφρασης στον εγκέφαλο του ενήλικων ατόμων μεταξύ των βασιλισσών και εργατριών στην ίδια ηλικία (τόσο στείρα δείγματα όσο και εκείνα με τις ωοθήκες ενεργοποίησαν ωοτοκίας μέσω συγκεκριμένων διαδικασιών) [29]. Οι διαφορές αυτές μεταξύ των ενήλικων ατόμων βρέθηκαν να είναι ~ 2000 γονίδια. Τα στείρα και αναπαραγωγικά ενεργά δείγματα είχαν μόνο 221 τέτοια γονίδια. Αξίζει να σημειωθεί ότι, τα γονίδια των οποίων το επίπεδο έκφρασης ήταν σημαντικά αυξημένο σε βασίλισσες αποδείχθηκε ότι περιλαμβάνουν τις ομάδες γονιδίων που, όπως έχει αποδειχθεί στην έρευνα λειτουργούν και σε άλλο μοντέλο οργανισμών, συνδέθηκαν με τη μακροζωία. Οι διαφορές μεταξύ των καστών στο επίπεδο της έκφρασης βρέθηκαν επίσης σε ομάδες γονίδιων, πιθανώς στον προσδιορισμό της μακροβιότητας των μελισσών, όπως τα γονίδια που επηρεάζουν την αντίδραση σε υποξικό στρες. Οι προνύμφες των εργατριών είχαν ένα σημαντικό υψηλότερο επίπεδο μεταγραφής των υποξικών παραγόντων (HIFα / Sima, HIFβ / Tango, και PHD / Fatig) από την προνύμφη που προορίζεται για βασίλισσα [30]. Αποδείχθηκε ότι η ώριμη βασίλισσα έχει ένα υψηλότερο επίπεδο έκφρασης δύο γονιδίων που εμπλέκονται στις διαδικασίες επανόρθωσης και την πρόληψη της οξειδωτικής ζημιάς από τις εργάτριες της ίδιας ηλικίας. Περαιτέρω, η δραστικότητα αυτών των γονιδίων στην τελευταία τείνει να μειώνεται κατά τη διάρκεια της γήρανσης [31].
Οι διαφορές στην έκφραση των γονιδίων μεταξύ των καστών βρέθηκαν και σε άλλα είδη κοινωνικών εντόμων, όπως το Bombus terrestris [32]. Η μεγάλη διαφορετικότητα έκφρασης των γονιδίων στις προνύμφες που προορίζοντας για Βασίλισσα είχε ένα αυξημένο επίπεδο έκφρασης στα αρχικά στάδια ανάπτυξης και στα μεταγενέστερα στάδια των προνυμφών των εργατριών, η οποία μπορεί να είναι μια ένδειξη ότι η διαφοροποίηση των καστών του οργανισμού αυτού δεν εξαρτάται από την ποιοτική σύνθεση των εκφρασμένων γονιδίων, αλλά μάλλον με τις προϋποθέσεις στην έκφραση τους. Οι διαφορές μεταξύ των καστών με τον τρόπο της γονιδιακής έκφρασης βρέθηκαν σε ορισμένα είδη μυρμηγκιών. Αποδείχθηκε ότι διαφορετικές κάστες των Temnothorax longispinosus έχουν ~ 2500 γονίδια που εκφράζονται με διαφορετικό τρόπο [33]. Οι διαφορές μεταξύ των καστών στην έκφραση των γονιδίων chemosensory και ανοσοαπόκριση αποκαλύφθηκαν σε Atta vollenweideri [34]. Σε Lasius niger, ανιχνεύθηκαν ενδοκάστιες διαφορές στη φύση της έκφρασης όσον αφορά σε 16 γονίδια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που συνδέονται με τη μοριακή και φυσιολογία μηχανισμών στον προσδιορισμό της μακροβιότητας [35].Μέχρι σήμερα, μόνο μία μελέτη πλήρως αφιερωμένη στην έρευνα των γενετικών διαδικασιών που καθορίζουν την μακροβιότητα των κοινωνικών εντόμων έχει υλοποιηθεί [36]. Η εργασία αυτή επαληθεύει την ελεύθερη ριζών θεωρία της γήρανσης, όπου η διαδικασία αυτή προκαλείται από τη συσσώρευση οξειδωτικών βλαβών. Το επίπεδο έκφρασης των οκτώ γονιδίων που κωδικοποιούν τα ένζυμα κλειδιά του αντιοξειδωτικού συστήματος, καθώς και πέντε γονίδια που κωδικοποιούν τις πρωτεΐνες των αεραγωγών σε διάφορους ιστούς των μελισσών, έχουν προσδιοριστεί. Έχει αποδειχθεί ότι το επίπεδο έκφρασης στα γονίδια που μελετήθηκαν η αντιοξειδωτική προστασία μειώνεται με τη ηλικίας στις βασίλισσες, αλλά όχι στις εργάτριες. Το επίπεδο έκφρασης των μιτοχονδριακών γονιδίων που μελετήθηκαν αποδείχθηκε ότι ήταν υψηλό σε νεαρές βασίλισσες, αλλά μειώνεται γρήγορα με την ηλικία σε σύγκριση με τις εργάτριες. Με βάση τα δεδομένα που έχουν ληφθεί, οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μακροζωία των βασιλισσών δεν σχετίζεται με αυξημένη ικανότητα του αντιοξειδωτικού τους συστήματος, και οι διαφορές στο προσδόκιμο ζωής μεταξύ των καστών ορίζονται από την μεταβολική κατάσταση τους. Επιπλέον, προτείνεται ότι οι διαφορές μεταξύ των καστών μελισσών στην μακροβιότητα μπορεί να εξαρτάται από τη δραστικότητα των μιτοχονδριακών γονιδίων και το επίπεδο της παραγωγής αντιδραστικών μορφών οξυγόνου.
Επιβεβαίωση ότι η μακροβιότητα των βασιλισσών δεν προκαλείται από τα υψηλά επίπεδα της γονιδιακής έκφρασης των αντιοξειδωτικών ενζύμων λήφθηκε στις μελέτες για το μυρμήγκι Lasius niger, οι οποίες δείχνουν ότι οι βασίλισσες έχουν ίσα ή ακόμη και μειωμένα επίπεδα Cu_Zn του υπεροξειδίου της δισμουτάσης έκφρασης ενός γονιδίου και τη δραστηριότητα αυτού του ενζύμου σε σύγκριση με εκείνα των εργατριών [37].
Ο ρόλος των ορμονικών παραγόντων στον Προσδιορισμό των διαφορών μεταξύ των Καστών
Αλλαγές στην έκφραση γονιδίου που προκαλείται από τους διατροφικούς παράγοντες κατά το στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης έχουν σημαντική επίδραση στην ενδοκρινή ρύθμιση της οντογένεσης σε κοινωνικά έντομα. Το βασικό ρόλο σε αυτές τις διαδικασίες παίζεται από τις οδούς σηματοδότησης της ινσουλίνης, η ινσουλίνη αυξητικός παράγοντας 1 (IGF_1), TOR (στόχος της ραπαμυκίνης) και JH.
Ο ρόλος του JH (βασιλικού πολτού), η οποία είναι υπεύθυνη για την εναλλαγή των σταδίων του κύκλου της ανάπτυξης των εντόμων, σε προσδιορισμό των καστών έχει γίνει γνωστό εδώ και αρκετές δεκαετίες. Έχει αποδειχθεί ότι η επίδραση των ιδιαίτερων διατροφικών παραγόντων κατά τη διάρκεια του σταδίου της προνύμφης οδηγεί σε σημαντική αύξηση του επιπέδου του JH στην προνύμφη που προορίζεται για βασίλισσα [38]. Ένας άλλος ορμονικός χείμαρρος που παίζει το βασικό ρόλο στη διαφοροποίηση των καστών είναι η σηματοδότηση της ινσουλίνης. Ωστόσο, τα ληφθέντα στοιχεία είναι αντιφατικά για να αποδείξουν τη σημασία αυτού του ρόλου. Ο.Ε. Wheeler et al. Κατέγραψε ένα ινσουλινοειδες πεπτίδιο, του οποίου το επίπεδο έκφρασης είναι υψηλότερο σε προνύμφες προοριζόμενες για βασίλισσες σε σχέση με τις αυτές που προορίζονταν για εργάτριες [39]. Αποδείχθηκε, επίσης, ότι οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες έχουν αυξημένο επίπεδο έκφραση του γονιδίου του υποδοχέα της ινσουλίνης κατά το δεύτερο στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης.
Σε μια σειρά μελετών, ωστόσο, υπήρξαν διαφορές στον εντοπισμό ινσουλίνης εν αντιθέσει με αυτές που θα μπορούσε να αναμένεται με βάση την ταχεία ανάπτυξη των προνυμφών που προορίζονταν για βασίλισσες. S.V. de Azevedo et al. έδειξαν ότι το επίπεδο έκφρασης του AmILP_2 γονίδιου που κωδικοποιεί ένα πεπτίδιο της ινσουλίνης είναι υψηλότερη σε προνύμφες των δειγμάτων εργατριών σε σχέση με βασίλισσες, και το επίπεδο της έκφρασης των δύο γονιδίων που κωδικοποιούν τους υποδοχείς της ινσουλίνης (AmlnR_l και AmInR_2) στις προνύμφες των βασιλισσών εξαιρετικά χαμηλές για το στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης [40]. Ο ρόλος των γονιδίων που κωδικοποιούν ινσουλίνη, όπως πεπτίδια AmlLPl και AmILP2 στη διαφοροποίηση των καστών επιβεβαιώθηκε αργότερα από τους Υ Wang et al. [41]. Η καθήλωση του γονιδίου AmlLPl με τη βοήθεια του dsRNA (δίκλωνου RNA που καταστέλλει τη μετάφραση του ομόλογου mRNA) έχει οδηγήσει σε μια μείωση του επιπέδου του JH, καθώς επίσης και εκείνης του γονιδίου AmILP2 σε μείωση του μεγέθους των ωοθηκών σε προνύμφες των μελισσών . Επίσης, αποκάλυψε ότι η καθήλωση του γονιδίου του υποστρώματος του υποδοχέα ινσουλίνης προκαλεί μορφολογικές εκφάνσεις των εργατριών [42].
Ο M. Kamakura [43] έδειξε ότι ο υποδοχέας του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα (EGFR) είναι ένας σημαντικός ορμονικός ρυθμιστής της οντογένεσης στις μέλισσες, συμπεριλαμβανομένων και της μακροβιότητας. Έδειξε ότι η ενεργοποίηση του EGFR με μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη royalactin, το οποίο περιέχεται στον βασιλικό πολτό , έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη του φαινοτύπου βασίλισσας.
Μια άλλη ορμονική διαδικασία χείμαρρος που στηρίζεται στον πολυμορφισμό της κάστας είναι ο εντοπισμός της διαδικασίας TOR, η οποία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό και την ανάπτυξη του σώματος [44]. Αποκαλύφθηκε ότι οι βασίλισσες των μελισσών στο τρίτο στάδιο της ανάπτυξης της προνύμφης έχουν υψηλότερα επίπεδα της γονιδιακής έκφρασης TOR από τις εργάτριες [45]. Έχει αποδειχθεί ότι το επίπεδο της έκφρασης του γονιδίου TOR σε βασίλισσες στο τρίτο στάδιο προνύμφης είναι δύο φορές υψηλότερο από εκείνο των ατόμων εργατριών [44]. Η καθήλωση των TOR γονίδιων ή την αναστολή της σύνθεσης των προϊόντων της μέσω της ραπαμυκίνης σε προνύμφες, οι οποίες άρχισαν να εξελίσσονται σύμφωνα με την «βασιλική» διαδικασία, είχε σαν αποτέλεσμα να οδηγήσει στην εμφάνιση εργατριών. Η καθήλωση των γονιδίων που κωδικοποιούν TOR και του υποστρώματος υποδοχέα ινσουλίνης με τη βοήθεια του siRNA σε προνύμφες βασίλισσας οδήγησε στην εμφάνιση μελισσών με χαρακτηριστικά εργατριών, συμπεριλαμβανομένων των επιπέδων της μεθυλίωσης του DNA, και της γονιδιακής έκφρασης που έχουν σαν αποτέλεσμα [46] . Και στις δύο παραλλαγές αυτής της καθήλωσης, η εφαρμογή του JH (Β.Π.) οδήγησε στην εμφάνιση των βασιλισσών, γεγονός που δείχνει ότι ο (Β.Π.) HJ μπορεί να προσφέρει τη "βασιλική" διαδικασία ανάπτυξης σε προνύμφες, ακόμα και όταν τα επίπεδα έκφρασης των TOR και του υποστρώματος υποδοχέα ινσουλίνης μειώνονται. Ο.Ε. Wheeler στο Ελ., Έχοντας μελετήσει το επίπεδο έκφρασης των 14 γονιδίων του εντοπισμού της ινσουλίνης και TOR, αποκάλυψε διαφορές μεταξύ 40 ημερών προνύμφες των μελισσών στην έκφραση των τριών γονιδίων που σχετίζονται με την πρόκληση και τη μεταφορά των ορμονικές σημάτων μετά τις αλλαγές στις διατροφικές συνήθειες των εντόμων [47]. Η διατροφή με θρεπτικό μείγμα (νερό-γύρη-μέλι), το οποίο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των εργατριών, οδήγησε σε αύξηση του επιπέδου έκφρασης σε εννέα γονίδια. Η διατροφή των βασιλισσών επηρέασε ένα μόνο γονίδιο.
Σημαντικό ρόλο στην οντογένεση των εντόμων, συμπεριλαμβανομένης της γήρανσης, παίζει η βιτελλογενίνης, μια γλυκοπρωτεΐνη του κρόκου, της οποίας τα αποτελέσματα σχετίζονται με την αναστολή (Β.Π.) JH και εντοπισμού ινσουλίνης. Έχει αποδειχθεί ότι βιτελλογενίνες εκδηλώνουν αντιοξειδωτική δράση, επειδή η δραστικότητα του γονιδίου που κωδικοποιεί αυτή την πρωτεΐνη προστατεύει τις εργάτριες από την οξειδωτική δράση που επιφέρετε από το paraquat [48]. Η καθήλωση του γονιδίου βιτελλογενίνης με siRNA μείωσε σημαντικά την μακροβιότητα των μελισσών. Στις βασίλισσες στα μεταγενέστερα στάδια της ζωής, τα υψηλότερα επίπεδα έκφρασης βιτελλογενίνης βρέθηκαν μαζί με τα χαμηλότερα επίπεδα της έκφρασης του πεπτιδίου ινσουινοειδούς και τους πιθανούς υποδοχείς τους από ό, τι σε ηλικιωμένα άτομα εργατριών [49].
Ένα υποθετικό σχέδιο της διαδικασίας των ρυθμιστών που εμπλέκονται στην διαφοροποίηση της κάστας των μελισσών δίνεται στο σχήμα.
Κοινωνικά έντομα που σχηματίζουν με κάστες βασίζονται σε παρόμοιους γονότυπους, οι οποίοι δρουν ριζικά και διαφορετικά στην μακροβιότητα, είναι ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο για την αναγνώριση των μηχανισμών που καθορίζει δυναμικά την μακροζωία. Αυτή η σφαίρα των μελετών είναι ιδιαίτερα σημαντική στο πλαίσιο των πρόσφατων θεωρητικών εννοιών, σύμφωνα με την οποία η γήρανση εξαρτάται από τις συνθήκες ανάπτυξης ενός οργανισμού και καθορίζεται σημαντικά από τους μηχανισμούς της επιγενετικής ρύθμισης της οντογένεσης. Οι μεγαλύτερες ελπίδες που συνδέονται με μελέτες συσχέτισης Εύρους επιγενώματος (EWAS) και την περαιτέρω διερεύνηση του ρόλου των ξεχωριστών υποψηφίων γονιδίων με RNA παρεμβολές. Η χρήση τέτοιων προσεγγίσεων θα επιτρέψει σε κάποιον να ανιχνεύσει γενετικές διαδικασίες καθορισμού στις διαφορές μακροβιότητας μεταξύ των διαφόρων καστών των κοινωνικών εντόμων και να αναπτύξουν τρόπους στοχευμένων διορθώσεων αυτών των διαδικασιών με σκοπό να παρατείνει την υγιή περίοδο της ζωής και την αύξηση της μακροβιότητας των ανθρώπων.
πηγη: Μόσχα Πανεπιστήμιο Βιολογικών Επιστημών, Δελτίο 2015
Ο ρόλος των ορμονικών παραγόντων στον Προσδιορισμό των διαφορών μεταξύ των Καστών
Αλλαγές στην έκφραση γονιδίου που προκαλείται από τους διατροφικούς παράγοντες κατά το στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης έχουν σημαντική επίδραση στην ενδοκρινή ρύθμιση της οντογένεσης σε κοινωνικά έντομα. Το βασικό ρόλο σε αυτές τις διαδικασίες παίζεται από τις οδούς σηματοδότησης της ινσουλίνης, η ινσουλίνη αυξητικός παράγοντας 1 (IGF_1), TOR (στόχος της ραπαμυκίνης) και JH.
Ο ρόλος του JH (βασιλικού πολτού), η οποία είναι υπεύθυνη για την εναλλαγή των σταδίων του κύκλου της ανάπτυξης των εντόμων, σε προσδιορισμό των καστών έχει γίνει γνωστό εδώ και αρκετές δεκαετίες. Έχει αποδειχθεί ότι η επίδραση των ιδιαίτερων διατροφικών παραγόντων κατά τη διάρκεια του σταδίου της προνύμφης οδηγεί σε σημαντική αύξηση του επιπέδου του JH στην προνύμφη που προορίζεται για βασίλισσα [38]. Ένας άλλος ορμονικός χείμαρρος που παίζει το βασικό ρόλο στη διαφοροποίηση των καστών είναι η σηματοδότηση της ινσουλίνης. Ωστόσο, τα ληφθέντα στοιχεία είναι αντιφατικά για να αποδείξουν τη σημασία αυτού του ρόλου. Ο.Ε. Wheeler et al. Κατέγραψε ένα ινσουλινοειδες πεπτίδιο, του οποίου το επίπεδο έκφρασης είναι υψηλότερο σε προνύμφες προοριζόμενες για βασίλισσες σε σχέση με τις αυτές που προορίζονταν για εργάτριες [39]. Αποδείχθηκε, επίσης, ότι οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες έχουν αυξημένο επίπεδο έκφραση του γονιδίου του υποδοχέα της ινσουλίνης κατά το δεύτερο στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης.
Σε μια σειρά μελετών, ωστόσο, υπήρξαν διαφορές στον εντοπισμό ινσουλίνης εν αντιθέσει με αυτές που θα μπορούσε να αναμένεται με βάση την ταχεία ανάπτυξη των προνυμφών που προορίζονταν για βασίλισσες. S.V. de Azevedo et al. έδειξαν ότι το επίπεδο έκφρασης του AmILP_2 γονίδιου που κωδικοποιεί ένα πεπτίδιο της ινσουλίνης είναι υψηλότερη σε προνύμφες των δειγμάτων εργατριών σε σχέση με βασίλισσες, και το επίπεδο της έκφρασης των δύο γονιδίων που κωδικοποιούν τους υποδοχείς της ινσουλίνης (AmlnR_l και AmInR_2) στις προνύμφες των βασιλισσών εξαιρετικά χαμηλές για το στάδιο ανάπτυξης της προνύμφης [40]. Ο ρόλος των γονιδίων που κωδικοποιούν ινσουλίνη, όπως πεπτίδια AmlLPl και AmILP2 στη διαφοροποίηση των καστών επιβεβαιώθηκε αργότερα από τους Υ Wang et al. [41]. Η καθήλωση του γονιδίου AmlLPl με τη βοήθεια του dsRNA (δίκλωνου RNA που καταστέλλει τη μετάφραση του ομόλογου mRNA) έχει οδηγήσει σε μια μείωση του επιπέδου του JH, καθώς επίσης και εκείνης του γονιδίου AmILP2 σε μείωση του μεγέθους των ωοθηκών σε προνύμφες των μελισσών . Επίσης, αποκάλυψε ότι η καθήλωση του γονιδίου του υποστρώματος του υποδοχέα ινσουλίνης προκαλεί μορφολογικές εκφάνσεις των εργατριών [42].
Ο M. Kamakura [43] έδειξε ότι ο υποδοχέας του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα (EGFR) είναι ένας σημαντικός ορμονικός ρυθμιστής της οντογένεσης στις μέλισσες, συμπεριλαμβανομένων και της μακροβιότητας. Έδειξε ότι η ενεργοποίηση του EGFR με μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη royalactin, το οποίο περιέχεται στον βασιλικό πολτό , έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη του φαινοτύπου βασίλισσας.
Μια άλλη ορμονική διαδικασία χείμαρρος που στηρίζεται στον πολυμορφισμό της κάστας είναι ο εντοπισμός της διαδικασίας TOR, η οποία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό και την ανάπτυξη του σώματος [44]. Αποκαλύφθηκε ότι οι βασίλισσες των μελισσών στο τρίτο στάδιο της ανάπτυξης της προνύμφης έχουν υψηλότερα επίπεδα της γονιδιακής έκφρασης TOR από τις εργάτριες [45]. Έχει αποδειχθεί ότι το επίπεδο της έκφρασης του γονιδίου TOR σε βασίλισσες στο τρίτο στάδιο προνύμφης είναι δύο φορές υψηλότερο από εκείνο των ατόμων εργατριών [44]. Η καθήλωση των TOR γονίδιων ή την αναστολή της σύνθεσης των προϊόντων της μέσω της ραπαμυκίνης σε προνύμφες, οι οποίες άρχισαν να εξελίσσονται σύμφωνα με την «βασιλική» διαδικασία, είχε σαν αποτέλεσμα να οδηγήσει στην εμφάνιση εργατριών. Η καθήλωση των γονιδίων που κωδικοποιούν TOR και του υποστρώματος υποδοχέα ινσουλίνης με τη βοήθεια του siRNA σε προνύμφες βασίλισσας οδήγησε στην εμφάνιση μελισσών με χαρακτηριστικά εργατριών, συμπεριλαμβανομένων των επιπέδων της μεθυλίωσης του DNA, και της γονιδιακής έκφρασης που έχουν σαν αποτέλεσμα [46] . Και στις δύο παραλλαγές αυτής της καθήλωσης, η εφαρμογή του JH (Β.Π.) οδήγησε στην εμφάνιση των βασιλισσών, γεγονός που δείχνει ότι ο (Β.Π.) HJ μπορεί να προσφέρει τη "βασιλική" διαδικασία ανάπτυξης σε προνύμφες, ακόμα και όταν τα επίπεδα έκφρασης των TOR και του υποστρώματος υποδοχέα ινσουλίνης μειώνονται. Ο.Ε. Wheeler στο Ελ., Έχοντας μελετήσει το επίπεδο έκφρασης των 14 γονιδίων του εντοπισμού της ινσουλίνης και TOR, αποκάλυψε διαφορές μεταξύ 40 ημερών προνύμφες των μελισσών στην έκφραση των τριών γονιδίων που σχετίζονται με την πρόκληση και τη μεταφορά των ορμονικές σημάτων μετά τις αλλαγές στις διατροφικές συνήθειες των εντόμων [47]. Η διατροφή με θρεπτικό μείγμα (νερό-γύρη-μέλι), το οποίο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των εργατριών, οδήγησε σε αύξηση του επιπέδου έκφρασης σε εννέα γονίδια. Η διατροφή των βασιλισσών επηρέασε ένα μόνο γονίδιο.
Σημαντικό ρόλο στην οντογένεση των εντόμων, συμπεριλαμβανομένης της γήρανσης, παίζει η βιτελλογενίνης, μια γλυκοπρωτεΐνη του κρόκου, της οποίας τα αποτελέσματα σχετίζονται με την αναστολή (Β.Π.) JH και εντοπισμού ινσουλίνης. Έχει αποδειχθεί ότι βιτελλογενίνες εκδηλώνουν αντιοξειδωτική δράση, επειδή η δραστικότητα του γονιδίου που κωδικοποιεί αυτή την πρωτεΐνη προστατεύει τις εργάτριες από την οξειδωτική δράση που επιφέρετε από το paraquat [48]. Η καθήλωση του γονιδίου βιτελλογενίνης με siRNA μείωσε σημαντικά την μακροβιότητα των μελισσών. Στις βασίλισσες στα μεταγενέστερα στάδια της ζωής, τα υψηλότερα επίπεδα έκφρασης βιτελλογενίνης βρέθηκαν μαζί με τα χαμηλότερα επίπεδα της έκφρασης του πεπτιδίου ινσουινοειδούς και τους πιθανούς υποδοχείς τους από ό, τι σε ηλικιωμένα άτομα εργατριών [49].
Ένα υποθετικό σχέδιο της διαδικασίας των ρυθμιστών που εμπλέκονται στην διαφοροποίηση της κάστας των μελισσών δίνεται στο σχήμα.
Κοινωνικά έντομα που σχηματίζουν με κάστες βασίζονται σε παρόμοιους γονότυπους, οι οποίοι δρουν ριζικά και διαφορετικά στην μακροβιότητα, είναι ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο για την αναγνώριση των μηχανισμών που καθορίζει δυναμικά την μακροζωία. Αυτή η σφαίρα των μελετών είναι ιδιαίτερα σημαντική στο πλαίσιο των πρόσφατων θεωρητικών εννοιών, σύμφωνα με την οποία η γήρανση εξαρτάται από τις συνθήκες ανάπτυξης ενός οργανισμού και καθορίζεται σημαντικά από τους μηχανισμούς της επιγενετικής ρύθμισης της οντογένεσης. Οι μεγαλύτερες ελπίδες που συνδέονται με μελέτες συσχέτισης Εύρους επιγενώματος (EWAS) και την περαιτέρω διερεύνηση του ρόλου των ξεχωριστών υποψηφίων γονιδίων με RNA παρεμβολές. Η χρήση τέτοιων προσεγγίσεων θα επιτρέψει σε κάποιον να ανιχνεύσει γενετικές διαδικασίες καθορισμού στις διαφορές μακροβιότητας μεταξύ των διαφόρων καστών των κοινωνικών εντόμων και να αναπτύξουν τρόπους στοχευμένων διορθώσεων αυτών των διαδικασιών με σκοπό να παρατείνει την υγιή περίοδο της ζωής και την αύξηση της μακροβιότητας των ανθρώπων.
πηγη: Μόσχα Πανεπιστήμιο Βιολογικών Επιστημών, Δελτίο 2015
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου