개미 알람 행동에 대한 핵심 사구체의 희박하고 정형화 된 인코딩
Abstract
개미는 대규모 페로몬 배열을 통해 의사소통을 하며 최대 500개 사구체를 구성하는 뇌의 더듬이 엽과 함께 확장되고 고도로 복잡한 후각 시스템을 소유합니다. 이러한 확장은 냄새가 수백 개의 사구체를 활성화할 수 있음을 의미하며, 이는 고차 처리에 문제가 될 수 있습니다.
이 문제를 연구하기 위해 우리는 후각 감각 뉴런에서 유전적으로 암호화된 칼슘 지표 GCaMP를 발현하는 형질전환 개미를 생성했습니다. 2-광자 이미징을 사용하여 우리는 4개의 개미 알람 페로몬에 대한 완전한 사구체 반응을 매핑했습니다. 알람 페로몬은 6개 이하의 사구체를 강력하게 활성화시켰고, 우리 연구 종에서 공황 경보를 유발하는 세 개의 페로몬에 대한 활동 지도는 단일 사구체에 수렴되었습니다.
이러한 결과는 광범위하게 조정된 조합 인코딩을 사용하는 대신 개미가 정확하고 좁게 조정되고 틀에 박힌 알람 페로몬 표현을 사용한다는 것을 보여줍니다. 알람 행동에 대한 중앙 감각 허브 사구체의 식별은 간단한 신경 구조가 페로몬 인식을 행동 출력으로 변환하기에 충분함을 시사합니다.
Figure
[Figure 1] 네 가지 개미 알람 페로몬에 대한 행동 반응
(A) PubChem 데이터베이스에서 얻은 이 연구에 사용된 4가지 개미 알람 페로몬과 대조군 운반체의 화학 구조.
(B) 콜로니 알람 생물 검정을 위한 실험 설계.
(C-D) 알람 페로몬 6-methyl-5-hepten-2-one and 4-methyl-3-hexanol vs 대조군에 대한 콜로니 반응의 시계열.
(E) 알람 페로몬 자극에 대한 주요 행동 반응의 범주별 분석.
(F) (C)와 (D)의 생물학적 검정에서 자극 후 2분 동안 원래 둥지 더미가 그대로 남아 있는 시간의 정량화.
[Figure 2] Transgene construct 및 GCaMP6s 발현
(A) Construct 디자인.
(B) Epifluorescence 하의 형질전환 번데기: GCaMP6s (위); dsRed (하단).
(C) 더듬이 클럽에서 anti-GFP (녹색, 세포질) 및 anti-Orco (마젠타, 막 결합)는 OSN을 조밀하게 표시.
(D) GCaMP6과 anti-Orco 신호는 AL에서 공동 위치화.
(E) AL의 단일 광학 슬라이스에서 anti-SYNORF1 (마젠타; 신경필), anti-GFP(녹색) 염색.
(F) 안테나의 일방적 절제는 AL에서 GCaMP6s (녹색, 왼쪽), anti-Orco 신호 (마젠타, 오른쪽)를 제거.
[Figure 3] 더듬이 엽에서 냄새 유발 칼슘 반응 이미징
(A) 냄새 유발 칼슘 반응 이미징을 위한 설계.
(B) 큐티클과 선 조직을 제거하여 AL (빨간색 윤곽선)을 노출시킨 이미지.
(C) 48% 농도 (오른쪽)에서 5s 냄새 제시 후 원시 형광 (왼쪽, 밝기 및 대비 향상)과 형광의 피크 배 변화를 나타내는 2-광자 현미경을 사용하여 AL을 통한 단일 광학 슬라이스.
(D) Ethylpyrazine 또는 파라핀 오일 운반체 (0%)를 사용한 시험에서 (C)로부터의 사구체에서의 칼슘 반응의 시계열.
(E) 클론 침입자 개미 AL의 체적 이미징.
(F) 다른 개인의 일반적인 냄새 물질에 대한 반응.
(G) 5개의 다른 광학 슬라이스에서 3-hexanone에 대한 반응.
[Figure 4] 더듬이 엽의 알람 페로몬 표현
(A) 두 마리의 개미가 예시로 표시된 냄새 자극 체제의 개략도.
(B) 칼슘 반응을 생성하지 않는 파라핀 오일 운반체.
(C) 3%와 48% 농도에서 4개의 알람 페로몬에 대한 반응으로 단일 개미로부터 피크 배 변화의 대표적인 최대 z-프로젝션.
(D) 높은 (48%) 농도에서 4-methyl-3-heptanone (왼쪽)과 4-methyl-3-heptanol (오른쪽)로 자극된 서로 다른 개미의 최대 z-프로젝션.
[Figure 5] 정형화된 공간 조직과 알람 페로몬에 대한 강력한 반응을 보이는 사구체 클러스터
(A) 알람 페로몬에 대한 전체 AL 활성화 패턴.
(B) 사구체가 결여된 AL 영역에 인접한 3개의 초점 사구체가 있는 AL을 통한 단일 광학 슬라이스.
(C) PGb (상단), PGa (중간), 6G (하단)에서의 칼슘 반응의 시계열.
(D) PGb와 PGa 중심 (상단), PGb와 6G (하단) 사구체 사이의 공간 변위 벡터.
[Figure 6] Clonal raider 개미 AL의 알람 페로몬 표현에 대한 개념적 개략도
표시된 숫자는 테스트된 가장 높은 농도 (48%)에서 각 페로몬 조합에 대한 반응하는 사구체의 중간 수.
Disscussion
이 연구에서 우리는 사회 곤충 신경 생물학을 연구하기 위해 GCaMP와 체적 2-광자 이미징의 조합을 개척했습니다. 우리의 안정적인 형질전환 라인은 실험실에서 클론으로 전파되기 때문에 이러한 리소스는 개미 후각과 관련된 많은 주제를 연구하기 위해 무기한 유지, 적응 및 확장될 수 있습니다. 우리가 아는 한, 이것은 형질전환, 교배 수행 및 유전자 변형 균주 유지와 관련된 문제로 인해 다른 진사회성 곤충에서는 지금까지 실현 가능하지 않았습니다. 우리는 개미 AL의 페로몬 표현에 대한 오랜 질문을 해결하기 위해 유전자 변형 라인을 사용했습니다. 개미 후각 시스템의 고정관념을 연구하기 위해 개별 클론 침입자 개미에 걸쳐 3개의 AL 사구체 클러스터를 매핑하고 일관된 위치, 공간 구성 및 냄새 유발 반응 기능을 가지고 있음을 발견했습니다. 따라서 개미 AL은 개별 사구체 규모에서 높은 수준의 공간 보존을 가지고 있으며, 이는 Drosophila와 유사하게 OSN에 의한 축삭 표적이 후각 시스템의 복잡성이 크게 증가함에도 불구하고 정형화될 수 있음을 시사합니다. 그러나 이 수준의 고정관념이 AL의 다른 부분에서 보존되는지 여부를 결정하려면 추가 작업이 필요합니다.
모든 알람 페로몬에 강력하게 반응하는 사구체의 비율은 매우 낮았으며 약 500개 중 강력한 활성화를 나타내는 사구체는 최대 6개에 불과했습니다. 사회적 곤충에 대한 이전 연구와는 달리, 이 희박한 활성화는 알람 페로몬이 실제로 적은 수의 사구체에 의해 암호화된다는 것을 보여줍니다. 초파리와 나방의 생태학적으로 관련된 화학 물질과 유사합니다. 이 희박한 인코딩 논리는 개미 콜로니의 복잡한 후각 환경에도 불구하고 위험을 나타내는 분자에 반응하는 데 필요한 신경 계산을 단순화할 수 있습니다.
3-hexanone을 제외하고 여기에서 테스트한 일반적인 냄새 물질도 적은 수의 사구체만 활성화했습니다. 따라서 Drosophila와 달리 좁은 사구체 튜닝은 개미 AL의 보다 일반적인 속성일 수 있으며 확장된 후각 시스템에 의해 암시되는 잠재적으로 훨씬 더 복잡한 냄새 인코딩을 보상하는 데 도움이 될 수 있습니다. 감각 신호에 대해 적은 인코딩을 사용하면 수백 개의 사구체를 동시에 활성화하는 냄새 혼합물의 가능성을 줄일 수 있으므로 고도로 조합적인 신호를 해독하기 위한 방대한 수의 신경 연결에 대한 필요성을 줄일 수 있습니다. 희박한 사구체 인코딩은 각 사구체가 단일의 좁게 조정된 OR을 표현하는 단일 OSN 클래스에 의해 자극되고 적어도 일부 개미 OR이 실제로 좁게 조정되는 간단한 조직 모델에서 나타날 수 있습니다. 개미 사구체 튜닝 속성은 잠재적으로 측면 억제나 화학 수용체 공동 발현을 통해 OR 발현 또는 OSN 연결의 보다 복잡한 패턴에서 나타날 수 있습니다. 개미의 OR 발현 및 OSN 연결에 대한 단일 세포 해상도 데이터를 수집하는 것은 개미 후각 코딩 속성이 발생하는 방식을 결정하는 데 중요합니다. 우리는 또한 칼슘 반응의 시간적 역학이 냄새와 사구체에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. 이러한 기능은 후각 시스템이 냄새의 혼합을 포함하여 감각 입력을 해석하는 데 사용할 수 있는 추가 정보를 제공합니다.
우리가 연구한 알람 페로몬 중 2개는 복제 침입자 개미에 의해 생성되지만 다른 개미 종의 추가 알람 페로몬 2개도 조사했습니다. 네 가지 화합물 모두 6개 또는 7개의 탄소와 알코올 또는 케톤 작용기의 메틸화된 주 탄소 사슬을 포함하여 일부 구조적 특징을 공유합니다. 두 가지 비천연 화합물 중에서 4-methyl-3-hexanol은 공황 경보 행동을 유도하고 두 개의 천연 알람 페로몬인 4-methyl-3-heptanone, 4-methyl-3-heptanol과 겹치는 사구체를 활성화합니다. 이러한 중첩은 기능 그룹의 유사한 배열을 포함하여 이들 세 가지 화합물의 실질적인 구조적 유사성에 의해 잠재적으로 설명될 수 있습니다. 또한 알람 페로몬의 정확한 화학 구조는 종 전체에서 빠르게 진화할 수 있는 반면 화학 감각과 행동의 기초가 되는 해당 신경 구조는 보존된다는 것을 시사합니다.
성별 및 알람 페로몬 감지 시스템의 주요 차이점은 특이성 수준입니다. 성 페로몬에 대한 행동, 신경 반응은 매우 특이적이며 유사한 구조적 유사체는 활동을 크게 감소시키거나 심지어 해충 방제에 이용된 회로 논리의 특징인 길항제로 작용합니다. 대조적으로 개미 알람 페로몬과 구조적으로 유사한 화합물은 일반적으로 천연 페로몬과 유사한 강력한 알람 반응을 이끌어냅니다. 일부 알람 페로몬에 민감한 사구체가 여러 공황 경보 유발 화합물에 반응한다는 우리의 발견은 이러한 행동 관찰을 위한 신경 메커니즘을 제공하고 성별 및 알람 페로몬 감지 시스템이 페로몬에 민감한 사구체의 화학적 특이성에서 상당히 다를 수 있음을 보여줍니다. 이 차이는 이 두 시스템에 작용하는 다른 선택 압력을 반영할 수 있습니다. 성 페로몬의 높은 특이성은 sympatric 종의 prezygotic 고립에 대한 핵심 기여자입니다. 반면에 알람 페로몬의 경우 성 페로몬 지각과 유사한 회로 논리가 포식자와 기생충이 화학적 길항제나 억제제를 사용하여 개미 군집 내에서 알람 신호를 차단할 수 있는 문을 열어줄 것입니다. 이것은 콜로니를 착취에 대해 무방비 상태로 만드는 재앙이 될 수 있습니다. 따라서 알람 페로몬 감지 시스템의 상대적으로 광범위한 흥분성은 억제제에 대한 보호를 제공할 수 있습니다. 개미에서 “appeasement allomone”이 설명되었지만 이러한 화학 물질은 구조적으로 관련이 없으며 알람 페로몬과 다른 감각 메커니즘을 통해 기능할 가능성이 있습니다. 더 자주, 알람 신호를 억제하는 대신 개미 포식자와 기생충은 어떤 경우에는 페로몬 흉내를 통해 알람 반응을 유도하여 목표 종을 조작합니다.
다른 알람 페로몬과 달리 6-methyl-5-hepten-2-one은 복제 침입개미에서 공황 경보 행동을 강력하게 일으키지 않습니다. 사구체 반응 패턴은 공황을 유발하는 알람 페로몬과는 다른데, 이는 이전 작업과 일치하며, 다른 행동 활동을 가진 화합물이 일반적으로 별개의 후각 채널을 통해 감지된다는 것을 보여줍니다. 흥미롭게도 개미를 사냥하는 거미는 6-methyl-5-hepten-2-one을 사용하여 먹이인 고기 개미 Iridomyrmex purpureus를 찾습니다. O. biroi가 다른 개미의 특화된 포식자라는 점을 감안할 때, 우리의 결과는 O. biroi가 먹이를 감지하는 단서로 알람 페로몬을 사용할 수도 있다는 가능성을 높입니다.
마우스와 Drosophila 모두에서 비슷한 화학적 수용 범위를 가진 후각 사구체는 기능적 하위 영역으로 모여 있으며, 이는 조상의 화학 감각 수용체 및 관련 사구체의 중복 및 점진적 발산으로 인해 발생할 수 있는 패턴입니다. 우리의 실험에서 구조적 유사성을 공유하는 네 가지 페로몬 모두 공간적으로 인접한 사구체의 조합을 활성화했습니다. 이것은 개미 후각 시스템이 화학 공간의 근접성을 AL의 실제 공간 근접성에 매핑하는 경향이 있음을 시사합니다. 우리는 T6 클러스터의 사구체에 초점을 맞췄는데, 이는 주로 9-엑손 서브패밀리에서 OR을 표현하는 OSN에 의해 신경지배됩니다. 이 subfamily는 특히 유전자 복제를 통해 크게 확장되며 개미에서 급속한 진화를 겪습니다. 따라서 우리의 결과는 최근 복제된 OR이 화학적으로 관련된 화합물에 의해 활성화될 뿐만 아니라 인접한 AL 사구체에 분포하는 OSN에서 표현되는 모델과 일치합니다. 목수 개미에서 무작위로 선택된 후각 투영 뉴런의 하위 집합에 대한 전기생리학적 연구에서도 공간적으로 클러스터링된 반응을 발견했습니다. 그러나 이러한 반응은 화학적으로 구별되는 두 가지 알람 페로몬 구성 요소에서 비롯되었으며, 이는 개미 AL의 공간 패턴이 화학적 유사성 외에도 페로몬 사회적 기능을 반영할 수 있음을 시사합니다.
개미 페로몬 커뮤니케이션은 복합 혼합물을 포함한 다양한 화학적 기질을 사용합니다. 이러한 혼합물은 둥지 구성원 게슈탈트 냄새 역할을 하는 큐티클 탄화수소 혼합물의 경우와 같이 복잡할 수 있습니다. 개미 AL은 원칙적으로 이러한 복잡한 혼합을 나타내기 위해 광범위한 인코딩을 사용할 수 있지만 곤충 후각 시스템은 생태학적으로 관련된 신호 입력의 복잡성을 줄이는 인상적인 능력을 가질 수 있습니다. 예를 들어 모기 AL은 몇 개의 사구체만을 사용하여 복잡한 숙주 냄새 혼합물의 중요한 특징을 인코딩합니다. 향후 작업에서는 알람 페로몬에 대해 여기에서 보고하는 희소 인코딩이 동료 인식 신호 및 개미가 사용하는 다른 유형의 페로몬에 대해 사실인지 여부를 조사해야 합니다. 실제로, 잎 베는 개미에 대한 이전 연구에서는 트레일 페로몬 성분이 주로 큰 일개미에서만 발견되는 특화된 거대 사구체를 통해 감지될 수 있다고 제안했습니다. 이것은 높은 생태학적 관련성, 복잡한 화학적 의사소통 및 확장된 후각 시스템을 가진 화학적 단서의 맥락에서 사구체 튜닝이 어떻게 진화하는지에 대한 일반적인 이해를 발전시키는 데 도움이 될 것입니다.