Andy Feinberg z Hopkins" Institute a Gro Amdamová hostující na Arizona State University poprvé popsali v časopisu Nature Neuroscience jak metylace genetického kódu DNA ("značkování" genů) je spojeno s chováním celého organismu.
Epigenetika
Když je na schodišťovém světle nastaven časový spínač na krátký interval, pomáháme si v nouzi žvýkačkou, ta na určitou dobu podrží tlačítko vypínače v poloze sepnuto.
Organismy to se svými geny dělají podobně, jen místo žvýkačky lepí na geny nalepí nějakou skupinu (například metylovou) a to je epigenetika. Ví se o ní, že hraje důležitou roli v regulaci aktivity genů. Rozhoduje například o tom, jakým směrem se budou vyvíjet kmenové buňky, nebo zda z nich vzniknou nádorové buňky. Od nynějška víme, že tyto značky toho dovedou mnohem více a že rozhodují o chování organismu.
Proč si vědci vybrali včely?
Včelí království je matriarchální společenství jemuž vládne včelí samička – matka. Jako jediná z celého včelstva má vyvinuté pohlavní orgány. Její úlohou je klást vajíčka. Ven z úlu, kromě svatební noci nechodí a tak nemá košíček na pyl. Neumí dělat ani vosk a je to jen taková továrna na vajíčka, kterou ostatní musí krmit. Ale pozor, žihadlo má a na rozdíl od normální včely může bodat do omrzení. Žihadlo bez háčků má na své sokyně k nimž se chová jako Lucrezie z rodu Borgiů. Královny ale tentokrát vědátory nezajímaly. Učarovaly jim malďušky, které nelétají za potravou z úlu, ale které ve věku 4- 6 dnů mají na starosti výměškem svých slinných žláz krmit larvy a královnu.
Druhou kategorií, které věnovali vědci svou přízeň byly staré včely (nad 21 dnů), které už slinu nemají tak chutnou a tak je společenství posílá tahat se s nákupama. Občas jsou v úlu i trubci, líhnou z neoplozených vajíček a nechce se jim pracovat. Včely je nepovažují za důležité a stranou zůstali i vědeckého zájmu.
Mladé a staré včely
Dělnice v pokusném společenství bylo díky inseminaci královny geneticky sestrami. Čtení genů tedy nemohlo jejich změnu chování vysvětlit. Odpověď mohla dát jen epigenetika, nebo něco jiného neznámého. Experiment začali vědci s novým včelstvem v němž všechny včely byly stejného mládí. Tím vyloučili případný vliv stáří včel. Když se včely rojí a zakládají nové společenství, občas se stane, že nějaká kategorie chybí. Umí se ale nějak dohodnout aby v úlu byl potřebný poměr krmiček i těch soumarů na zásoby. I v tomto pokusu se stejně starými včelami si to nějak vyříkaly a tak změna jejich chování nebyla podmíněna věkem.
Metylom
Tak jako je genom kompletním souborem všech genů jedince co jich jen v jádru buněk má (lze jej popsat jako dlouhatánský sled nukleotidů), tak bylo třeba zavést v genetice termín pro něco, co také rozhoduje o funkcích genů, ale geny to nejsou. Vědní obor, který se tím zabývá se nazývá epigenetika a právě na detailní obraz metylace genomu vyrazili s „šarmem“. CHARM je zkratka pro novou metodu, která znamená „Comprehensive high-throughput arrays for relative methylation“. Autoři, kteří ji nedávno vymysleli zřejmě neuvažovali, že jí bude potřeba tak často a že o ní budou hovořit i normální lidi (jinak by jí tak dlouhý název snad nedali). V podstatě jde o nudnou činnost, kterou mají na starosti laborantky. Zkoumanou DNA nejprve štěpí pomocí enzymů schopných DNA rozstříhat v v místech opatřených metylovými značkami. Naštěpené kousky se pak namnoží (PCR metodou). Směs různě dlouhých kousků DNA se pak seřadí elektroforézou v gelu do „řad“. Přečištěné kousky se pak podle své délky porovnávají počítačovým programem, který si pamatuje genom (sled nukleotidů) daného druhu. To je zatím krkolomná, ale přesto nejsnazší metoda, kterou se lze dobrat míst v nichž bylo vlákno DNA modifikováno nalepením epigenetických značek. Tedy míst v nichž jsou geny metylovány.
„Šarmem“ tedy přišli na to, že DNA v mozku dělnic dvou různých "profesí" – krmiček a létavek se liší. V mozcích 21 sester a 21 létavek se vědcům podařilo najít 155 oblastí v DNA, které se svými nalepenými značkami lišily. Různá metylace (metylové vzory) dvou typů včel se většinou týkaly regulačních genů a ty jak známo mají pod palcem další geny.
Geneticky vzato sestry z jednoho úlu byly stejného stáří a v metylaci genů se lišily podle funkce, neboli vzoru chování.
Natrvalo, nebo dočasně?
Toť otázka, která vědce zajímala nejvíce. Proto jakmile znali rozdíly mezi dvěma skupinami včel, pustili se do jejich týrání s ještě větší vervou. Využili poznatku, který je starým praktikům dobře znám. Když začne být v úlu z nějakého důvodu málo pečovatelek (třeba je zahubí nájezdy loupeživých včel), kde se vezmou tu se vezmou létavky, vzpomenou si jak dělaly kašičku zamlada a roli krmiček zasuplují. Vědci tedy svému pokusnému včelstvu bezcitně odstranili všechny pečovatelky. Létavkám nezbylo, než se s tím vypořádat, pokud nechtěli aby larvy zahynuly. Část se jich přeškolila zpátky na pečovatelky.
Po několika týdnech provedli „staronovým“ pečovatelkám rozbor jejich DNA z pohledu metylačních míst. Ukázalo se, že se s těmi co zůstaly létavkami, se začaly lišit ve 107 oblastech DNA. A to jinými slovy řečeno znamená, že epigenetické značkování není trvalé. Může se měnit v průběhu života jedince, podle situace s níž se setká. Metylace a demetylace udělá z krmičky létavku a zase naopak.
Američané z Centra pro epigenetiku na Hopkinsově ústavu nejsou první, kdo přišli na nápad dělat pokusy na včelách. Je to účelné a co do zkoumání zákonitostí epigenetiky se ukazuje společenský hmyz jako ideální laboratorní "organismus". Zhruba před půl rokem vyrukovali s podobným objevem u včel Australané z James Cook University. Ti se zase zaměřili na porovnání matky s dělnicemi. Jak včelí matka, tak i dělnice vznikají ze stejných vajíček. Liší se jen tím že je o jedny bylo v mládí lépe postaráno. Když včelstvo začne pociťovat osiřelost (nedostatek feromonu produkovaného včelí královnou) začnou dělnice s budováním porodny pro královnu. Okolo jednoho z vajíček vytvoří matečník. Zatímco normální buňka pro dělnice je šestihranná, pro budoucí královnu je buňka kruhového průřezu a větší. Vajíčka se za tři dny promění v lartvy. Ty z nichž budou dělnice dostávají mateří kašičku jen tři dny. Larva v matečníku, budoucí královna, se v mateří kašičce přímo topí. Tou je pak krmena celý svůj královský život. Ostatní včely se v dospělosti živí pylem.
To, co dělá u včel „modrou krev“ není původ a jiné geny. Mají je s dělnicemi shodné, změnu přivodí jen samotná potrava.
Australané u larev dělnic a larev matek také zjistili značné rozdíly v metylaci jejich genů. Rozdíl byl 2399 proti 560, přičemž larvy dělnic měly o 80 % metylovaných genů více. A protože metylace geny umlčuje, tak dělnicím jejich hladová strava zajistí přibrždění, nebo nefunkci mnoha genů.
Jak americký, tak australský tým dokládají, že metylace a chování organismu jde ruku v ruce. A také se svorně domnívají, že nepůjde jen o včely a hmyz, ale že vzory chování se budou odvíjet od epigenetických (metylových) značek i u dalších druhů. Možná i u nás. Budou naše vzory chování poplatné stravě? Feromonům?...
Prameny: Nature Neuroscience DOI: 10.1038/nn.3218
Johns Hopkins University School of Medicine