Forskare har äntligen sekvenserat hela arvsmassan hos en myr, faktiskt två mycket olika arter av myror, och insikterna från deras genetiska ritningar ger redan lockande ledtrådar till myrornas extraordinära sociala beteende.
Ett resultat av ett banbrytande samarbetsforskningsprojekt ledd av Danny Reinberg, PhD, professor i biokemi vid NYU Langone Medical Center och en utredare från Howard Hughes Medical Institute. Analysen av genomen publiceras den 27 augusti, 2010 års nummer av Science.
En av myrarterna är känd som Jerdons hoppmyra, och den andra, Floridas snickarmyra, är ett destruktivt skadedjur i sydöstra USA. Deras komplexa sociala beteende, och deras förmåga att upprätthållas i ett laboratorium, gör dem till idealiska arter för att studera epigenetik, hur gener slås på eller av som svar på förändrade förhållanden snarare än genom förändringar av faktiska DNA-sekvenser. Epigenetik bestämmer vilka gener som uttrycks i celler, därigenom att skilja en nervcell från en hudcell, och hur modifieringar av genuttryck kan överföras till framtida cellgenerationer.
"Myror är extremt sociala varelser och deras förmåga att överleva beror på deras samhälle på ett mycket liknande sätt som människor", säger Dr. Reinberg, som också är medlem av NYU Cancer Institute. "Oavsett om de är arbetare, soldater eller drottningar, verkar myror vara en perfekt passform för att studera om epigenetik påverkar beteende och åldrande."
Dr. Reinberg har ägnat större delen av sin karriär åt att förstå det molekylära maskineriet som avgör hur gener slås på och av. Han är särskilt intresserad av hur epigenetik kan påverka livslängden - i vissa myrkolonier lever drottningarna upp till tio gånger längre än arbetsmyror. Även om han alltid varit fascinerad av myror, tog det år för tekniken att komma ikapp med inspirationen att studera interaktionen mellan epigenetik och livslängd och beteende hos dessa djur.
Myrgenomprojektet började 2008 när Dr. Reinberg och hans team vann ett anslag från Howard Hughes Medical Institute för att studera de epigenetiska skillnaderna mellan myrarter och för att koppla dem till processer hos andra djur, inklusive människor. Hans främsta medarbetare är Jürgen Liebig från Arizona State University och Shelley Berger från University of Pennsylvania School of Medicine. Genomsekvenseringen utfördes i samarbete med Beijing Genomic Institute i Shenzhen, Kina.
"När vi studerade dessa två myrors genom fascinerades vi av de olika beteenden och olika roller som arbetsmyrorna utvecklar", sa Dr. Reinberg. "Eftersom varje myra i kolonin börjar med samma genetiska information, måste de olika neuronala kopplingarna som specificerar beteendet som är lämpligt för varje social rang kontrolleras av epigenetiska mekanismer. Fynden kan potentiellt hjälpa oss att lära oss mer om effekten av epigenetik på hjärnan funktion hos människor."
Jämförelse av de två myrarterna fann forskarna att cirka 20 procent av deras gener är unika, medan cirka 33 procent delas med människor. Forskare fastställde också att snickarmyrans genom har cirka 240 miljoner baser och att den hoppande myran har cirka 330 miljoner baser, cirka en tiondel av det mänskliga genomet. Baser är byggstenarna i DNA. De fann också att snickarmyran har 17 064 gener och hoppmyran har 18 564, jämfört med cirka 23 000 hos människor.
Hoppmyran, eller Harpegnathos s altator, lever i små kolonier och när drottningen dör utbryter strider bland arbetare, tills några få segrar och blir ersättningsdrottningar. Dessa nya drottningar, eller gamergates, lever faktiskt längre än sina arbetarsyskon. Faktum är att Dr Reinberg och hans kollegor fann ett överuttryck av proteiner kopplat till livslängd, inklusive enzymet telomeras, i dessa ersättningsdrottningar.
Intressant nog innehöll ersättningsdrottningar också ett överflöd av små RNA, korta sträckor av genetiskt material som finjusterar genuttrycket i många organismer, inklusive människor.
Snickarmyrorna, eller Camponotus floridanus, har ett mycket mer sofistikerat kastsystem och social organisation. Det är bara drottningen som lägger befruktade ägg och när hon dör gör kolonin det också. Icke-reproduktiva myror tillhör två separata kaster, större och mindre arbetare. Stora arbetare skyddar kolonin, medan mindre arbetare söker mat. Även om dessa två typer av arbetsmyror börjar livet anmärkningsvärt lika, skulpterar epigenetik deras hjärnor och beteenden på olika sätt som leder till deras specialiserade uppgifter. Genom att jämföra större och mindre arbetare upptäckte Dr. Reinberg och hans team stora skillnader i uttrycket av gener som fungerar i hjärnan, ett litet men viktigt steg mot att förstå hur gener påverkar beteendet hos myror.
"Efter honungsbiet är myror den andra familjen av sociala insekter som får sitt genom sekvenserat", säger Roberto Bonasio, PhD, vid Institutionen för biokemi vid NYU Langone Medical Center och en av medförfattarna till studien. "Nästa utmaning är att börja manipulera myrornas genom så att vi kan lära oss funktionen hos specifika gener relaterade till åldrande och beteende."
