Как сенсорные нейроны муравьев «выбирают» единственный обонятельный рецептор

Обоняние играет очень важную роль в жизни муравьев. В их геномах закодированы сотни рецепторов, которые воспринимают различные химические вещества. Но в одном сенсорном нейроне экспрессируется только один рецептор, который и определяет молекулярную идентичность нейрона. Существуют различные механизма «выбора» нейроном рецептора. У плодовых мушек Drosophila melanogaster есть молекулярные переключатели, нейроны млекопитающих полагаются на изменения доступности хроматина. Исследователи из США открыли новый механизм «выбора» гена обонятельного рецептора, характерный для муравьев Ooceraea biroi.

У плодовых мушек есть примерно 60 генов обонятельных рецепторов, а у муравьев — до 687. У мушек эти гены обычно расположены поодиночке, у муравьев, включая O. biroi, гены обонятельных рецепторов часто расположены в больших кластерах. У O. biroi насчитывается более 40 таких кластеров, содержащих от 2 до 82 генов обонятельных рецепторов.

Ученые заметили, что в нейронах муравьев активно транскрибировались не только выбранный ген, но и нижележащие гены обонятельных рецепторов, а также гены, расположенные в кластере или сразу за ним, например, ген химотрипсина. Они использовали РНК-секвенирование для оценки транскрипции межгенных областей и обнаружили, что области между генами обонятельных рецепторов имеют значительно более высокое покрытие по сравнению с другими межгенными областями. Это свидетельствует о том, что полимераза II (Pol II) часто не останавливается в конце генов обонятельных рецепторов, продолжая двигаться дальше.

Хотя транскрипты нижележащих генов расщепляются и полиаденилируются, эксперименты с использованием РНК-флуоресцентной гибридизации in situ (RNA-FISH) показали, что они в основном остаются в ядре. Ученые предполагают, что только первый транскрипт получает 5’-кэп, необходимый для успешного экспорта из ядра. «Сквозная» транскрипция нижележащих генов препятствует активации их собственных промоторов и нейтрализует их транскрипты, удерживая их в ядре.

Удивительно, что в нейронах муравьев «сквозная» транскрипция может распространяться более чем на 100 т.п.н. от активного промотора, что намного превышает типичный уровень, наблюдаемый в здоровых клетках млекопитающих.

Для подавления генов, расположенных выше активного гена обонятельного рецептора, в игру вступает второй компонент механизма: двунаправленный промотор выбранного гена также инициирует транскрипцию в противоположном (антисмысловом) направлении. Анализ показал, что локусы генов обонятельных рецепторов муравьев являются «горячими точками» антисмысловой транскрипции: 27% этих генов перекрываются с аннотированными антисмысловыми длинными некодирующими РНК (lncRNA) по сравнению с 6% других генов.

Ученые коррелировали экспрессию антисмысловых lncRNA с экспрессией соседних генов обонятельных рецепторов. Они обнаружили, что экспрессия lncRNA отрицательно коррелирует с экспрессией вышестоящих генов. То есть, когда промотор выбранного гена обонятельного рецептора активируется и начинает производить антисмысловую РНК, эта РНК или сама транскрипционная активность подавляет транскрипцию вышестоящих генов.

При этом 85% клеток продуцировали антисмысловую РНК длиной более 30 т.п.н., а 61% клеток — длиной более 100 т.п.н. Таким образом, транскрипционная интерференция, вызванная двунаправленной активностью одного промотора, способна подавлять десятки генов, расположенных на расстоянии более 100 т.п.н. в обоих направлениях.

Исследователи подтвердили, что этот регуляторный механизм является консервативным и широко распространен не только среди различных видов муравьев (например, Harpegnathos saltator), но и у других социальных насекомых, таких как медоносные пчелы (Apis mellifera).

Более того, модель двунаправленной транскрипционной интерференции объясняет даже редкие и сложные случаи, когда гены обонятельных рецепторов в кластерах оказываются инвертированы (перевернуты). В таких случаях выбранный ген все равно успешно подавляет белковый продукт соседних генов.

Авторы работы предполагают, что этот механизм имеет глубокое эволюционное значение. Когда ген обонятельного рецептора дублируется вместе со своим консервативным двунаправленным регуляторным регионом, это немедленно приводит к появлению нового подтипа нейронов, который может экспрессировать только новый рецептор. Это обеспечивает молекулярную основу для быстрого эволюционного расширения, уменьшения и обновления репертуаров генов обонятельных рецепторов у перепончатокрылых, что критически важно для их адаптации.

Обонятельный корецептор необходим для выживания нейронов у муравьев