Un travailleur saltator Harpegnathos capturé dans un affichage agressif (mandibules ouvertes) visant le photographe. Crédit : Karl Glastad (Berger Lab)
Selon l’issue des conflits sociaux, les fourmis de l’espèce Saltator Harpegnathos faire quelque chose d’inhabituel : ils peuvent passer d’un statut de travailleur à un statut de reine connu sous le nom de gamergate. Maintenant, les chercheurs rapportant dans le journal Cellule aujourd’hui (4 novembre 2021) ont fait la découverte surprenante qu’une seule protéine, appelée Kr-h1 (Krüppel homologue 1), répond à des hormones socialement régulées pour orchestrer cette transition sociale complexe.
« Le cerveau des animaux est en plastique ; c’est-à-dire qu’ils peuvent changer leur structure et leur fonction en réponse à l’environnement », explique Roberto Bonasio de la Perelman School of Medicine de l’Université de Pennsylvanie. « Ce processus, qui se déroule également dans le cerveau humain – pensez aux changements de comportement pendant l’adolescence – est crucial pour la survie, mais les mécanismes moléculaires qui le contrôlent ne sont pas entièrement compris. Nous avons déterminé que, chez les fourmis, Kr-h1 freine la plasticité du cerveau en empêchant l’activation inappropriée des gènes.
Illustration montrant une fourmi avec des œufs. Crédit : Illustration de Tim Christopher d’après les photographies de Brigitte Baella et Karl Glastad
Dans une colonie de fourmis, les ouvrières entretiennent la colonie en trouvant de la nourriture et en combattant les envahisseurs, tandis que la tâche principale de la reine est de pondre des œufs. Et pourtant, ce sont les mêmes instructions génétiques qui donnent naissance à ces rôles et comportements sociaux très différents. En étudiant les fourmis, Bonasio et ses collègues, dont Shelley Berger, également à l’Université de Pennsylvanie, ont voulu comprendre comment l’activation ou la désactivation de certains gènes affecte le fonctionnement et le comportement du cerveau. Parce que Harpégnathos les adultes peuvent passer d’un travailleur à un gamergate, ils étaient parfaits pour de telles études.
Afin qu’ils puissent étudier les événements moléculaires sous-jacents qui provoquent un tel changement, l’équipe de recherche, dirigée par les co-premiers auteurs Janko Gopocic et Karl Glastad, a développé une méthode pour isoler les neurones des fourmis et les maintenir en vie dans des plats en plastique en laboratoire. . Cela a permis à l’équipe d’explorer comment les cellules réagissaient aux changements de leur environnement, y compris les niveaux d’hormones.
Illustration montrant comment le répresseur transcriptionnel Kr-h1 stabilise l’identité de caste en supprimant les comportements sociaux inappropriés. Crédit : Illustration de Roberto Bonasio d’après les photographies de Brigitte Baella et Karl Glastad
Ces études identifient en outre que deux hormones, l’hormone juvénile et l’ecdysone, qui sont présentes à différents niveaux dans le corps des travailleurs et des gamergates, ont produit des schémas distincts d’activation des gènes dans le cerveau des deux castes. La plus grande surprise a été que les deux hormones ont influencé les cellules en activant une seule protéine, Kr-h1.
“Cette protéine régule différents gènes chez les travailleurs et les gamergates et empêche les fourmis d’adopter des comportements” socialement inappropriés “”, explique Berger. “C’est-à-dire que Kr-h1 est nécessaire pour maintenir les frontières entre les castes sociales et pour s’assurer que les travailleurs continuent de travailler tandis que les gamergates continuent d’agir comme des reines.”
“Nous n’avions pas prévu que la même protéine puisse faire taire différents gènes dans le cerveau de différentes castes et, par conséquent, supprimer le comportement des travailleurs dans les gamergates et le comportement des gamergates chez les travailleurs”, ajoute Bonasio. “Nous pensions que ces emplois seraient attribués à deux ou plusieurs facteurs différents, chacun d’eux n’étant présent que dans l’un ou l’autre cerveau.”
Les résultats révèlent des rôles importants pour les hormones socialement régulées et la régulation génique dans la capacité du cerveau animal à passer d’un mode génétique et d’une caste sociale à un autre. “Le message clé est que, au moins chez les fourmis, plusieurs modèles comportementaux sont spécifiés simultanément dans le génome et que la régulation des gènes peut avoir un impact important sur le comportement de cet organisme”, explique Berger. « En d’autres termes, les parties du Dr Jekyll et de M. Hyde sont déjà inscrites dans le génome ; tout le monde peut jouer l’un ou l’autre rôle, selon les commutateurs génétiques activés ou désactivés. »
Les chercheurs pensent que les implications peuvent aller beaucoup plus loin que la compréhension de la plasticité comportementale des fourmis et autres insectes. “Il est tentant de spéculer que les protéines apparentées pourraient avoir des fonctions comparables dans des cerveaux plus complexes, y compris le nôtre”, explique Bonasio. « Découvrir ces protéines pourrait nous permettre un jour de restaurer la plasticité des cerveaux qui l’ont perdue, par exemple des cerveaux vieillissants. »
La découverte qu’un seul facteur peut supprimer différents ensembles de gènes et de comportements dans différents cerveaux soulève d’importantes questions sur la façon dont la double fonction de cette protéine et d’autres protéines similaires pourrait être régulée. Dans de futures études, les chercheurs prévoient d’explorer le rôle du Kr-h1 dans d’autres organismes. Ils disent qu’ils veulent également explorer comment l’environnement affecte la régulation des gènes au niveau épigénétique – à travers la présence ou l’absence de certaines marques chimiques sur ADN– et comment cela affecte à son tour la plasticité et le comportement du cerveau.
Référence : « Kr-h1 maintient des neurotranscriptomes distincts spécifiques à une caste en réponse aux hormones socialement régulées » 4 novembre 2021, Cellule.
DOI : 10.1016/j.cell.2021.10.006
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health, le Searle Scholars Program et le 2020 Max Planck-Humboldt Research Award.
