称为CRISPR的基因编辑技术彻底改变了研究基因功能的方式。到目前为止，CRISPR已被广泛用于精确修饰单细胞生物，更重要的是，更复杂的生物体内特定类型的细胞。现在，两个独立的研究小组报告说，CRISPR已经被用来操纵蚂蚁蛋 - 导致整个蚁群中成虫动物的每个细胞中发生的种系变化。这些论文将于8月10日在Cell发表。

“这些研究证明了你可以在蚂蚁中进行遗传学研究，”洛克菲勒大学助理教授，其中一项研究的资深作者Daniel Kronauer说。“如果你对研究社会行为及其遗传基础感兴趣，蚂蚁是一个很好的系统。现在，我们可以淘汰任何我们认为会影响社会行为并看到其影响的基因。”

因为它们生活在像超级生物一样起作用的集落中，所以蚂蚁也是研究复杂生物系统的有价值的模型。但由于其生命周期的复杂性，蚁群很难在实验室中成长和研究。

团队找到了解决这个问题的方法，使用了两种不同的蚂蚁。洛克菲勒团队雇用了一种叫克隆掠食性蚂蚁(Ooceraea biroi)的物种，它们的殖民地中没有皇后。相反，单个未受精卵发育成克隆，产生大量通过产卵过程在遗传上相同的蚂蚁。“这意味着通过使用CRISPR修饰单个卵子，我们可以快速培育出含有我们想要研究的基因突变的菌落，”Kronauer说。

另一个团队是纽约大学和纽约大学医学院，亚利桑那州立大学，宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院和范德比尔特大学的研究人员之间的合作。，使用印度跳蚂蚁(Harpegnathos saltator)。“我们选择这个物种是因为它们有一个特殊的特征，可以很容易地将工人变成女王，”纽约大学的银色教授，第二项研究的高级作者之一Claude Desplan说。如果女王死了，年轻的工蚁将开始争夺统治权。最终，其中一个成为“假的” - 也被称为游戏门 - 并被允许产卵。

“在实验室中，我们可以注射任何工人胚胎来改变其基因组成，”Desplan说。“然后我们将工人转变为假蛋，它可以产卵，传播新的基因，并产生一个新的殖民地。”

Desplan，纽约大学Langone的Howard Hughes医学研究所研究员Danny Reinberg和宾夕法尼亚大学细胞与发育生物学和生物学系Daniel S. Och大学教授Shelley Berger几年前开始研究这些蚂蚁作为一种了解表观遗传学的方法，表观遗传学指的是基因表达的变化而不是遗传密码本身的变化。“女王和工蚁在基因上是相同的，基本上是孪生姐妹，但它们的发展方式却截然不同，”Desplan说。“这使它们成为研究表观遗传控制发展的良好系统。”

两个研究小组用CRISPR敲除的基因称为orco(气味受体辅助受体)。蚂蚁有350个基因用于气味受体，单独管理的数量非常大。但由于受体如何发挥作用的独特生物学 - 在这种情况下运气很好 - 调查人员能够通过一次敲除来阻断所有350的功能。“这些受体中的每一个都需要与Orco共同受体配合才能发挥作用，”Kronauer实验室的学生Waring Trible说，他是洛克菲勒研究的第一作者。一旦基因被淘汰，蚂蚁就会有效对他们通常用来沟通的信息素信号视而不见。如果没有这些化学信号，它们就会变成社会性的，从巢中徘徊，无法寻找食物。

更令人惊讶的是，敲除orco也影响了两个物种的成年动物的大脑解剖结构。就像人类在大脑中拥有专门的语言和面部识别处理中心一样，蚂蚁的中心负责感知和处理与其他昆虫相比扩大的嗅觉提示。但是在这些蚂蚁中，这些感觉中心的子结构，称为触角叶肾小球，在很大程度上是缺失的。

“有很多事情我们仍然不知道为什么会这样，”Kronauer说。“我们不知道神经元是否会在成年人身上消失，因为它们没有被使用，或者它们从未在第一时间发展。这是我们需要跟进的。最终，我们想要了解蚂蚁在多大程度上与哺乳动物的现象相似，大脑发育在很大程度上取决于感觉输入。

伯克说：“更好地理解，从生物化学的角度来看，行为是如何形成的，可以揭示社会交往的变化是一种标志性疾病，如精神分裂症或抑郁症。”

在宾夕法尼亚大学的第三项相关研究中，Roberto Bonasio领导的研究人员使用大脑化学物质corazonin改变了蚂蚁的行为。当将corazonin注入过渡成为伪女王的蚂蚁时，它抑制脑蛋白卵黄蛋白原的表达。这种变化刺激了工人般的狩猎行为，同时抑制了伪女王行为，如决斗和卵子沉积。

此外，当研究小组分析蚂蚁大脑在过渡期间成为假女王的蛋白质时，他们发现corazonin与脊椎动物中的生殖激素类似。更重要的是，他们还发现随着工人成为伪皇后，corazonin的释放被关闭。Corazonin也优先在来自其他社会昆虫物种的工人和觅食者中表达。除了corazonin之外，还有一些其他基因以工人特异性或特定于王后的方式表达。

“蚂蚁等社会性昆虫是研究基因调控如何影响行为的杰出模型，”细胞与发育生物学助理教授Bonasia说。“这是因为他们生活在由具有相同基因组但行为完全不同的个体组成的殖民地。”