Cách một loại protein duy nhất có thể chuyển đổi vai trò của kiến từ kiến thợ sang kiến chúa

Xung đột xã hội có thể để lại dấu ấn phân tử trên động vật, theo nghiên cứu gần đây về loài kiến Harpegnathos saltator.

Mở đầu

Tất cả chúng ta đều liên tục điều chỉnh hành vi để phù hợp với tình huống xung quanh. Bạn sẽ không hành xử giống nhau trong một bữa tiệc, lễ tang, buổi hẹn hò đầu tiên hay một cuộc phỏng vấn xin việc. Khả năng linh hoạt hành vi để phản ứng với các tín hiệu xã hội này có một thuật ngữ khoa học là: tính dẻo dai hành vi. Thực tế, ở hầu hết các loài động vật – đặc biệt là những loài sống trong các cộng đồng có tính xã hội cao – khả năng thay đổi hành vi khi đối mặt với các xung đột xã hội là rất quan trọng cho sự sống còn.

Một trong những cộng đồng phân cấp được nghiên cứu nhiều nhất trong tự nhiên là loài kiến Harpegnathos saltator. Các loại kiến khác nhau của loài này đảm nhiệm các vai trò cụ thể để hỗ trợ sự sinh sản và thành công liên tục của cả đàn, xoay quanh con kiến chúa. Trong khi phần lớn kiến là những con thợ không sinh sản, một số ít là các con cái sinh sản, gọi là gamergate, có khả năng đẻ trứng.

Tuy nhiên, các vai trò này không cố định: Tùy thuộc vào kết quả của một số xung đột xã hội nhất định, một con kiến có thể chuyển đổi giữa trạng thái thợ và gamergate. Khả năng này khiến Harpegnathos saltator trở thành mô hình tuyệt vời để nghiên cứu cách các tương tác và xung đột xã hội ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử của kiến.

Hormone tương tác với protein Kr-h1 để xác định hành vi xã hội

Khi một con kiến chúa chết, cả đàn sẽ cần một con cái sinh sản mới. Những con kiến sẽ đấu tranh để giành quyền này, và những con còn lại nhanh chóng chuyển từ vai trò thợ sang gamergate. Không giống như những con thợ, gamergate không tìm kiếm thức ăn mà chỉ đẻ trứng và thể hiện hành vi hung dữ đối với các con thợ. Mặc dù các nhà nghiên cứu biết rằng sự chuyển đổi hành vi này đi kèm với sự tái cấu trúc cả biểu hiện gen và mức độ hormone, cơ chế chính xác cho những thay đổi này trước đây vẫn chưa rõ ràng.

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Cell, các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng một loại protein duy nhất, Kr-h1 (Krüppel homolog 1), được điều khiển bởi các hormone trong thợ và gamergate. Dựa trên mức độ hormone, khác nhau giữa các hệ thống cấp bậc, protein này tác động lên bộ gen của tế bào thần kinh kiến để ức chế hoặc kích hoạt các gen liên quan đến hành vi xã hội.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà khoa học từ Đại học Pennsylvania và Đại học Freiburg, Đức, đã sử dụng kết hợp các kỹ thuật in vivo và in vitro để nghiên cứu cơ chế thực sự liên kết các thay đổi hormone với thay đổi hành vi. Nhóm đã quan sát các con kiến thợ và gamergate trong môi trường phòng thí nghiệm nhân tạo và kích động các trận đấu. Họ cũng cô lập và nuôi cấy các tế bào thần kinh của kiến thuộc hai cấp bậc khác nhau và điều khiển mức hormone một cách nhân tạo, trong khi lập bản đồ hoạt động của Kr-h1 và các gen khác.

Hormone điều khiển não kiến phản ứng đúng cách

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng hai loại hormone truyền tín hiệu tới não của mỗi con kiến để hành xử theo cách đúng. Trong khi các con kiến thợ có mức độ hormone vị thành niên cao hơn, kích thích hành vi tìm kiếm thức ăn và hành vi của kiến thợ, các con gamergate có mức độ ecdysteroid cao hơn, kích thích hành vi sinh sản. Hồ sơ hormone này không gây bất ngờ; nó đã được mô tả ở các loài côn trùng xã hội khác. Nhưng điều mà các nhà nghiên cứu không ngờ tới là cả hai hormone đều tác động lên cùng một protein, Kr-h1, để ảnh hưởng trực tiếp đến biểu hiện gen của các tế bào thần kinh.

Phát hiện này cho thấy rằng, khi được kích thích bởi ecdysteroid, Kr-h1 duy trì bản sắc gamergate bằng cách ức chế các gen liên quan đến hành vi của kiến thợ. Tuy nhiên, khi được kích hoạt bởi mức độ hormone vị thành niên cao trong kiến thợ, Kr-h1 hoạt động ngược lại và giảm biểu hiện các gen của gamergate.

Ý nghĩa cho các loài sinh vật xã hội khác

Khám phá này ám chỉ rằng trong một bộ não của kiến duy nhất, tồn tại một bản đồ di truyền cho hai vai trò hoàn toàn khác nhau, cả hai đều quan trọng cho sự thành công của đàn. Kết quả này – rằng mỗi con kiến đều có cả hai vai trò trong cấu trúc di truyền nhưng chỉ thực hiện một trong hai vai trò dựa trên hoạt động của Kr-h1 – khiến các nhà nghiên cứu bất ngờ, vì họ dự kiến các vai trò cấp bậc sẽ được gán cho nhiều yếu tố khác nhau được điều chỉnh bởi nhiều protein.

Thay vào đó, tình huống lại đơn giản hơn: Chính sự biểu hiện của Kr-h1, được điều hòa bởi các hormone, giúp kiến duy trì hành vi phù hợp với vai trò cấp bậc của mình, để bảo đảm sự sống còn lâu dài của đàn.

Tiềm năng ứng dụng cho các sinh vật xã hội khác

Phát hiện rằng một loại protein duy nhất có chức năng kép quan trọng đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu suy nghĩ về việc khám phá cách protein này và những protein tương tự được điều chỉnh. Rất có thể rằng loại protein này không chỉ tồn tại ở loài kiến. Các tác giả nhấn mạnh rằng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc hiểu mức độ mà các cơ chế giữa hormone và Kr-h1 ảnh hưởng đến hành vi xã hội ở các loài động vật khác.

Thực tế, nghiên cứu này có ý nghĩa vượt xa các loài côn trùng. Có khả năng rằng các protein tương tự Kr-h1 cũng tồn tại trong não người, có thể bị ảnh hưởng bởi hormone hoặc các yếu tố điều tiết khác, để bật hoặc tắt các gen theo những cách cụ thể. Khám phá ra loại protein này và hiểu cách nó được kích hoạt có thể giúp chúng ta khôi phục khả năng linh hoạt hành vi cho các não bộ đang lão hóa.