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Como uma única proteína pode mudar uma formiga de operária para rainha

Conflitos sociais podem deixar marcas moleculares em animais, de acordo com pesquisas recentes sobre a espécie de formiga Harpegnathos saltator.

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Principais conclusões

As formigas vivem em sociedades hierárquicas altamente regulamentadas, com cada formiga desempenhando um papel designado.
Embora a maioria viva como operárias estéreis, a morte ou remoção de uma rainha pode estimular as operárias a mudar seu comportamento e fisiologia para se tornarem formigas reprodutivas.
Um estudo recente mostra que os mecanismos moleculares por trás dessa mudança giram em torno da regulação de uma única proteína, uma descoberta que tem amplas implicações para estudar mudanças comportamentais em outros animais, incluindo humanos.

Todos nós modificamos constantemente nosso comportamento para se adequar a qualquer situação em que nos encontremos. Você não agiria da mesma maneira em uma festa como agiria em um funeral, primeiro encontro ou entrevista de emprego. Essa capacidade de ser flexível com nosso comportamento em resposta a estímulos sociais tem um nome científico: plasticidade comportamental. De fato, na maioria dos animais – particularmente aqueles que vivem em comunidades muito sociais – a capacidade de modificar o comportamento ao enfrentar conflitos sociais é crucial para a sobrevivência.

Uma das comunidades hierárquicas mais estudadas na natureza é a espécie de formiga Saltador Harpegnathos . Diferentes tipos de Harpegnatos as formigas desempenham certos papéis para apoiar a reprodução contínua e o sucesso de sua colônia, que gira em torno da formiga rainha. Enquanto a maioria das formigas são operárias estéreis, muito menos são fêmeas reprodutivas, chamadas gamergates, que podem botar ovos.

No entanto, esses papéis não são fixos: dependendo do resultado de certos conflitos sociais, uma formiga pode alternar entre os estados trabalhador e gamergate. Essa habilidade faz com que o Saltador Harpegnathos um excelente modelo para estudar como as interações e conflitos sociais mediam a composição molecular de uma formiga.

Os hormônios interagem com a proteína Kr-h1 para determinar o comportamento social

Quando uma rainha morre, há uma necessidade repentina de uma fêmea reprodutiva na colônia. As formigas duelam por esse direito, e os indivíduos restantes logo trocam seu status de trabalhador para se tornarem gamergates reprodutivos. Ao contrário dos trabalhadores, os gamergates não procuram comida, mas põem ovos e exibem comportamento agressivo em relação aos trabalhadores. Embora os pesquisadores saibam que essa transição comportamental vem com uma reconfiguração tanto da expressão gênica quanto dos níveis hormonais, o mecanismo exato para essas mudanças era anteriormente desconhecido.

Em um artigo publicado na revista Célula , pesquisadores relataram que uma única proteína, Kr-h1 (Krüppel homólogo 1), é manipulada por hormônios encontrados em trabalhadores e gamergates. Com base nos níveis hormonais, que diferem entre os sistemas de castas, a proteína atua no genoma dos neurônios das formigas para suprimir ou ativar genes relacionados ao comportamento social.

Os pesquisadores, uma equipe formada por cientistas da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Freiburg, na Alemanha, usaram uma combinação de na Vivo e em vitro técnicas para investigar o mecanismo real que liga as alterações hormonais às alterações comportamentais. A equipe observou formigas operárias e gamergate em um ambiente de laboratório artificial e instigou duelos. Eles também isolaram e cultivaram neurônios de formigas de duas castas diferentes e níveis hormonais manipulados artificialmente, enquanto mapeavam a atividade de Kr-h1 e outros genes.

Os pesquisadores mostraram que dois hormônios estavam sinalizando o cérebro de cada formiga para se comportar da maneira correta. Enquanto as formigas operárias tinham níveis muito mais altos de hormônios juvenis que estimulam o forrageamento e o comportamento das operárias, os gamergates tinham níveis muito mais altos de ecdisteroides, que estimulam o comportamento reprodutivo. Esse perfil hormonal não foi surpreendente; foi descrito em outros insetos sociais. Mas o que os pesquisadores não esperavam era que ambos os hormônios atuassem na mesma proteína, Kr-h1, para afetar diretamente a expressão gênica dos neurônios.

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Os resultados mostraram que, quando estimulado por ecdisteroides, o Kr-h1 mantém a identidade gamergate reprimindo genes associados ao comportamento do trabalhador. No entanto, quando ativado por altos níveis de hormônios juvenis encontrados em trabalhadores, o Kr-h1 faz o oposto e regula negativamente os genes gamergate.

Essa descoberta implica que, em um único cérebro de formiga, existe um mapa genético para dois papéis totalmente diferentes que são vitais para o sucesso da colônia. Esse resultado – que cada formiga tinha ambos os papéis em sua composição genética, mas desempenhava um ou outro com base na atividade de Kr-h1 – surpreendeu os pesquisadores, que esperavam que os papéis das castas fossem atribuídos a vários fatores diferentes regulados por muitas proteínas. .

Em vez disso, a situação era muito mais simples: é a expressão de Kr-h1, mediada por hormônios, que mantém as formigas se comportando como deveriam, com base em seu papel de casta, para a sobrevivência a longo prazo da colônia.

A descoberta de que uma única proteína tem uma função dupla importante já inspirou os pesquisadores a começar a pensar em explorar como a proteína e outras semelhantes são reguladas. Também é improvável que tal proteína exista apenas em formigas. Os autores observaram que pesquisas futuras devem se concentrar em entender até que ponto esses mecanismos entre hormônios e Kr-h1 afetam o comportamento social em outros animais.

Na verdade, este estudo tem implicações que vão muito além dos insetos. É plausível que existam proteínas semelhantes ao Kr-h1 no cérebro humano, que, quando acionadas por hormônios ou outros reguladores, podem ativar ou desativar nossos genes de maneiras específicas. Descobrir essa proteína e entender como ela é ativada pode nos ajudar a restaurar a plasticidade comportamental dos cérebros envelhecidos.

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