Раскрыт генетический механизм уникального обоняния муравьев

Для муравьев острое обоняние – жизненно важный инструмент. С помощью феромонов они общаются, охотятся, распознают чужаков и определяют свою роль в колонии. Потеря способности различать запахи приводит к хаосу. «Без обоняния муравьи перестают выполнять свои обязанности, что ведет к анархии, – объясняет Богдан Серебренников, один из авторов исследования из Нью-Йоркского университета. – Они путаются, нападают друг на друга. Все начинается с нарушения коммуникации и заканчивается катастрофой».

Эволюция наделила муравьев почти 500 генами обонятельных рецепторов, в то время как у человека их значительно меньше. Однако для точной работы системы каждый обонятельный нейрон должен активировать только один ген рецептора из сотен возможных. Исследователи из Нью-Йоркского университета обнаружили, как муравьям удается решить эту биологическую головоломку. Они выявили уникальную саморегулирующуюся систему, в которой выбор одного гена физически «выключает» всех его соседей.

Изучая активность генов, ученые заметили необычную закономерность. Обонятельные гены у муравьев расположены группами, или кластерами. «Некоторые клетки экспрессировали только последний ген кластера, другие – два последних, третьи – три и так далее, – описывает Серебренников. – Это выглядело как лестница и подсказало нам ключ к новому механизму». Оказалось, что процесс считывания генетической информации (транскрипция), выбрав один ген, не останавливается на его границе, а продолжает движение, подобно «биологическому бульдозеру».

Эта «неудержимая машина» проходит сквозь все последующие гены в кластере, не давая им активироваться. Но как же подавляются гены, расположенные до выбранного? Команда обнаружила, что активный ген запускает еще один процесс – синтез РНК в обратном направлении. Этот второй «бульдозер» движется в противоположную сторону, блокируя активность предыдущих генов. Таким образом, случайный выбор одного гена запускает цепную реакцию, которая гарантирует, что только он останется «включенным».

Такой способ генной регуляции может показаться не самым экономным, но он крайне эффективен. «Когда природа находит решение, которое полагается на случай, но выполняет свою задачу, оно закрепляется», – отмечает Серебренников. «Этот красивый, но неожиданный механизм показывает, как природа может изобрести новую систему, чтобы соблюсти правило «один ген на один нейрон», – добавляет руководитель исследования Клод Десплан.

Что удивительно, подобный принцип работает и в организме человека. Процесс формирования связей в нашем мозге зависит от генов протокадгеринов, которые также расположены кластерами и подчиняются правилу «один ген на нейрон». «Гены протокадгеринов тоже используют обратную транскрипцию, чтобы выбранный ген предотвращал экспрессию всех остальных, – поясняет Серебренников. – Это поразительный случай конвергентной эволюции. Муравьи и люди – очень дальние родственники, но когда природа сталкивается с похожей проблемой, она может найти похожее решение».