Van de vele genetisch identieke larven worden er maar weinig koninginnen: bij de bijen wordt de metamorfose, die tot verschillende volwassenen leidt, geleid door een aantal specifieke sequenties van DNA-versterkers, een soort “moleculaire schakelaars”. Een onderzoeksgroep onder leiding vanUniversiteit van Hiroshima (Japan) identificeerde welke van hen koninginnen en arbeiders ‘verdeelden’.
Dat buitengewone biologische proces genaamd metamorfose
Rupsen veranderen in vlinders, kikkervisjes in kikkers, larven worden bijen, kevers, wespen en mieren: metamorfose is het buitengewone biologische proces waardoor sommige diersoorten, waaronder insecten, fysiek transformeren in volwassenen via opeenvolgende en zeer verschillende ontwikkelingsstadia.
Bij een volledige metamorfose doorloopt ongeveer 75-80% van de insectensoorten vier verschillende levenscycli, namelijk ei, larve, pop en volwassene, voordat ze transformeren in volwassen volwassenen. Vanuit genetisch perspectief is dit proces werkelijk ongelooflijk, omdat transformerende insecten en dieren in elk ontwikkelingsstadium hetzelfde genoom hebben, maar toch vaak heel anders verschijnen en zich gedragen in het larvale stadium dan in het volwassen stadium.
Onderzoekers beginnen de genetische mechanismen te begrijpen die deze volledige overgangen tussen ontwikkelingsstadia bij metamorfoserende soorten reguleren. Bovendien onthullen verschillende onderzoeken hoe insecten zoals bijen, mieren, wespen en termieten verschillende sociale kasten – koninginnen en werksters – kunnen voortbrengen uit genetisch identieke larven, door de genregulatie te wijzigen.
Wat wetenschappers nu hebben ontdekt en hoe ze het onderzoek hebben uitgevoerd
De onderzoekers hebben nu CAGE-technologie gebruikt (Capp-analyse van genexpressie) om de activiteit van sequenties te evalueren versterkers van de bij, geïdentificeerd door middel van computationele voorspellingen (op de pc), die de expressie van nabijgelegen genen zouden kunnen verhogen tijdens de metamorfose van werkbijen.
De sequenties versterkers het zijn in feite DNA-gebieden die functioneren als ‘moleculaire schakelaars’ en helpen de activering en ‘sterkte’ van bepaalde genen te reguleren. En deze studie heeft nu het eerste directe bewijs geleverd van deze activiteit tijdens de metamorfose van werkbijen, waarbij wordt geïdentificeerd welke sequenties werkelijk de “rol in de samenleving” bepalen die aan de larven wordt toegewezen.
Ons onderzoek was bedoeld om te identificeren welke versterkers feitelijk actief waren tijdens de metamorfose van werkbijen (Apis mellifera) – legt Hidemasa Bono uit, die het werk leidde – en welke transcriptiefactoren werden gebruikt om belangrijke ontwikkelingsgenen te reguleren.
©Insecten
In feite had een onderzoek uit 2015 de bindingsplaatsen van transcriptiefactoren voorspeld door middel van computationele berekeningen, maar uitsluitend gebaseerd op de genomische sequentie, en tot nu toe was er een gebrek aan direct bewijs van de activering van versterkers in de verschillende ontwikkelingsfasen van werkbijen.
Concreet heeft het team de eerste mRNA-sequenties van werkbijen gesequenced en in kaart gebracht op het bijengenoom om transcriptiefactorbindingsplaatsen (TFBS’s) te identificeren, plaatsen in het genoom waar genexpressie-eiwitten aan DNA binden, wat resulteert in de expressie van enkele specifieke genen.
Door dergelijke locaties te identificeren, vond het team de locatie van 842 potentiële versterkersequenties die in staat zijn activatoreiwitten te binden en de waarschijnlijkheid van genexpressie te vergroten.
Het is ook belangrijk om te benadrukken dat deze studie versterkersequenties identificeerde op basis van versterker-RNA van echte werkbijen, in plaats van ze simpelweg te voorspellen op basis van de genomische sequentie alleen.
Variaties in genexpressieniveaus kunnen eenvoudig worden geïdentificeerd via transcriptomische analyse – legt Kouhei Toga, eerste auteur van het onderzoek – uit. De regulerende transcriptiefactoren die deze variaties aandrijven, blijven echter grotendeels onbekend, omdat het merendeel van de TFBS in versterkers wordt afgeleid uit sequentiegebaseerde conservering in plaats van directe observatie van activiteit. Het leveren van experimenteel bewijs van actieve versterkers is daarom waardevol voor het begrijpen van de evolutie van de geavanceerde socialiteit die wordt waargenomen bij de honingbij Apis mellifera.
De onderzoekers classificeerden de 17.349 transcriptiestartplaatsen (TSS’s) en 842 potentiële versterkers in vijf categorieën op basis van hun algemene expressiepatronen: deze clusters werden gereguleerd door transcriptiefactoren die in deze categorieën vielen, en het team beperkte de regulerende relaties bij werkbijen verder tot slechts 15 specifieke transcriptiefactor-versterker-doelgenrelaties die de metamorfose controleren.
Wat ontbreekt er in dit onderzoek
Hoewel de toepassing van CAGE-technologie de aanwezigheid van sequenties bevestigde versterkers van de werknemers in de honingbijen Apis melliferamoet het team de bevindingen nog valideren met behulp van verschillende tests om een completer beeld te krijgen van de genregulerende netwerken die de ontwikkeling van werknemers controleren. Uiteindelijk wil het team deze kennis gebruiken om de uitdagingen aan te pakken waarmee bestuivers over de hele wereld worden geconfronteerd.
Honingbijen zijn de belangrijkste bestuivers van een breed scala aan gewassen, waaronder aardbeien, en spelen een fundamentele rol bij het behoud van de biodiversiteit – concludeert Bono – Een dieper begrip van de moleculaire mechanismen die de ontwikkeling van werkbijen reguleren heeft daarom verstrekkende gevolgen, niet alleen voor de bijenteelt, maar ook voor de mondiale voedselveiligheid en het behoud van ecosystemen
Dit onderzoek werd gefinancierd door Centrum voor innovatie voor bio-digitale transformatie (BioDX), een open innovatieplatform voor co-creatie tussen industrie en universiteit (COI-NEXT) van de JST (JPMJPF2010), en het gezamenlijke onderzoeksprogramma RIKEN-Hiroshima University voor de Science and Technology Hub.
Het werk is gepubliceerd op Insecten.
Bronnen: Universiteit van Hiroshima / Insecten
