Равенство стартовых условий не гарантирует одинаковых результатов на финише. Примером может служить медоносная пчела Apis mellifera, у которой будущие королевы — основательницы семей и бесплодные рабочие особи развиваются из генетически идентичных личинок. Известно, что судьбу взрослых насекомых определяет получаемый личинками рацион, но каким образом? Над решением этой проблемы работают профессор Гру Эмдем (Gro Amdam) и ее коллеги из университета Аризоны (Arizona State University) и Норвежского университета наук о жизни (Norwegian University of Life Sciences). По данным исследователей, судьбу будущей пчелы определяет влияние корма на два сигнальных белка: субстрат инсулиноподобного рецептора (IRS) и TOR (target of rapamycin) — рецептор, чувствительный к антибиотику рапамицину.
Скажи мне, что ты ешь, и я скажу, кем ты станешь. В первые три дня жизни все личинки получают маточное молочко, которое вырабатывают специальные железы рабочих пчел. Но затем будущих тружениц снимают с этого довольствия и переводят на умеренные порции смеси молочка, пыльцы и меда, а «принцессы» остаются на молочной диете. В результате взрослые насекомые разительно отличаются. Матка даже при рождении вдвое больше рабочей пчелы; это машина для откладывания яиц, и у нее нет приспособлений для сбора корма, строительства гнезда и ухода за расплодом, а рабочая пчела, всем этим обладая, не способна к размножению, поэтому переход насекомого из одной касты в другую невозможен ни при каких условиях. Генетически идентичные особи так сильно различаются внешне, потому что корм влияет на работу генов IRS и TOR.
Белок IRS ассоциирован с клеточной мембраной и связан с инсулиновым рецептором, обеспечивая его взаимодействие с инсулином. Значительная часть IRS сосредоточена в жировых клетках пчелы, объединенных в жировое тело. Эти клетки извлекают из гемолимфы насекомого избыток сахара, там же скапливаются излишки жиров. Если ввести в брюшко взрослых рабочих пчел короткие молекулы РНК определенной последовательности, они блокируют работу генов IRS жировых клеток. (Такой метод отключения гена называется РНК-интерференцией.) По данным профессора Эмдем, пчелы с отключенными IRS предпочитают приносить в улей не сладкий углеводистый нектар, а белковую пыльцу, хотя и ощущают вкус сахара.
Второй белок, определяющий судьбу пчелы, — TOR участвует в реализации программы эмбрионального развития. Он регулирует рост и деление клеток, их выживание и подвижность, а также синтез многих клеточных белков. Активность гена TOR зависит от поступления питательных веществ и влияет на развитие насекомого: в организме пчелиных королев уровень этого белка повышен. Чтобы исследовать влияние рациона на работу обоих генов, ученые выкормили несколько тысяч личинок маточным молочком, к которому были добавлены специально синтезированные молекулы РНК, подавляющие работу генов IRS и TOR вместе или по отдельности. Если сигнал о том, что личинке дают королевскую пищу, поступает именно через эти белки-рецепторы, то нарушение их синтеза должно привести к тому, что из личинки на любой диете разовьется рабочая особь. Так и произошло. Изменение активности одного или двух генов повлияло на липидный обмен, метилирование ДНК, синтез многих белков, скорость роста куколок, а главное — на уровень ювенильного гормона.
Это ключевой гормон развития насекомых, у будущих королев, получающих маточное молочко, его уровень высок, у личинок рабочих пчел — низок. В экспериментах Гру Эмдем и ее коллег уровень ювенильного гормона у личинок был низким, несмотря на королевскую диету. Отключение двух рецепторов не позволяет личинке, получающей маточное молочко, синтезировать юве-нильный гормон в должном количестве и превращаться в королев. А если добавить гормон извне? Исследователи так и поступили, они осторожно наносили ювенильный гормон на покровы подопытных личинок, которые в этом случае становились королевами, несмотря на заблокированные рецепторы.
Молекулярные механизмы определения пчелиной судьбы еще предстоит уточнять и дополнять, но уже ясно, что белки IRS и TOR, взаимодействуя с пищевыми факторами, определяют гормональный уровень личинок и их дальнейшее развитие.
Наталья Резник
Mutti, N. S., Dolezal, A. G., Wolschin, F., Mutti, J. S., Gill, K. S. and Amdam, G. V. IRS and TOR nutrient-signaling pathways act via juvenile hormone to influence honey bee caste fate.» J. Exp. Biol. (2011) 214, 3977-3984.