Een mutatie veranderde mieren in één generatie in parasieten

Wanneer de onderzoeker Daniël Kronauer was in 2008 nog postdoc, reisde hij naar Okinawa, Japan, voor wilde exemplaren van klonale roovermieren (de soort Ooceraea biroi). In de eerste kolonie die hij verzamelde, zag hij twee mieren met een vreemd uiterlijk. Ze waren klein als werksters, maar ze hadden ook kleine vleugelknoppen, wat opvallend was omdat meestal alleen mierenkoninginnen vleugels ontwikkelen. Wat dit nog vreemder maakte, was dat klonale raider-mieren niet eens koninginnen hebben: in overeenstemming met hun naam planten deze mieren zich ongeslachtelijk voort, dus alle mieren in een kolonie zijn bijna perfecte genetische klonen.

Kronauer was geïntrigeerd door de miniatuurkoninginnen omdat ze zo anders leken dan de andere klonale roovermieren, ook al geloofde hij dat ze van dezelfde soort waren. Maar er kwamen geen antwoorden op zijn vragen, dus nam hij wat exemplaren, maakte wat foto's voor de administratie en ging toen verder met zijn werk.

Een paar jaar later richtte Kronauer een laboratorium op aan de Rockefeller University en zette hij een kolonie klonale raider-mieren op voor studie. Op een dag, zijn toenmalige promovendus Buck Trible vond nog een paar van de vreemde miniatuurkoninginnen in die kolonie en besloot ze te karakteriseren.

Trible ontdekte dat de vleugels niet het enige ongebruikelijke kenmerk van de mieren waren. De vreemde mieren vertoonden ook ander sociaal gedrag, hadden grotere eierstokken en legden twee keer zoveel eieren. Met behulp van genetische hulpmiddelen traceerde hij al deze veranderingen in een stuk DNA van 2.25 miljoen basenparen. Bij de gewone mieren was het DNA op elk van de twee kopieën van hun chromosoom 13 verschillend. Maar bij de miniatuurmierenkoningin waren de twee exemplaren identiek.

Zoals Trible, Kronauer en hun collega's gemeld in maart in Current Biology, werden alle kenmerken van de vreemde mieren - de vleugels, het sociale gedrag en de voortplantingskenmerken - veroorzaakt door wat genetici een supergen noemen, een verzameling genen die als een eenheid worden overgeërfd en zeer resistent zijn tegen opbreken. Op een bepaald moment in hun evolutie hadden de mieren een tweede kopie van dat supergen gekregen en die chromosomale verandering had hun lichaam en gedrag getransformeerd. De bevindingen suggereerden een nieuw mechanisme voor hoe complexe combinaties van lichaamsdelen en gedragingen in de evolutie soms allemaal tegelijk aan de oppervlakte kunnen komen: door een mutatie die een supergen dupliceert, waarbij hele reeksen eigenschappen worden ingeschakeld, zoals lichtsnoeren die worden bestuurd door een lichtschakelaar.

Mierenonderzoekers zijn enthousiast over het werk, en niet alleen omdat het een tientallen jaren oud mysterie lijkt op te lossen over hoe ten minste één vorm van sociaal parasitisme zich bij insecten ontwikkelt. De supergen-ontdekkingen kunnen hen ook helpen lang gezochte kenmerken vast te pinnen in de genetische architectuur van mieren die ervoor zorgen dat hun kolonies zich ontwikkelen tot hiërarchische kasten van koninginnen en werksters.

Meer in het algemeen biedt de nieuwe studie ook inzicht in een fundamentele evolutionaire vraag over hoe verschillend de individuen in een enkele soort kunnen zijn.

"Het meest opwindende aan deze studie is hoeveel toekomstige richtingen het opent," zei Jessica Purcel, een evolutionair geneticus aan de University of California, Riverside die mierengenomen bestudeert.

Een paradox van parasitisme

Mieren trekken de aandacht van onderzoekers als Kronauer en Trible omdat de meeste soorten een sociale structuur hebben die verbonden is met hun biologie. In een typisch nest zit een enkele grote, reproductieve mierenkoningin de legioenen kleinere, niet-reproductieve vrouwelijke werksters voor die haar dochters zijn. De arbeiders bouwen een nest, verzamelen voedsel, weren indringers af en zorgen voor de jongen van de kolonie, waardoor de koningin vrij is om alleen eieren te leggen.

Sommige mierensoorten wijken echter af van dat plan door deel te nemen aan vormen van sociaal parasitisme - dat wil zeggen, ze exploiteren de sociale structuur van een andere mierensoort. Mieren die slaven maken, stelen bijvoorbeeld larven uit andere nesten en printen ze chemisch in om werksters te worden die de slavenkoningin dienen.

Vele decennia geleden merkten onderzoekers dat sommige mierensoorten een meer clandestiene vorm van parasitisme gebruiken. De parasieten hebben hun arbeiderskaste verloren. Om te overleven infiltreren hun kleine koninginnen de kolonies van andere mierensoorten en leggen daar eieren. De uitgebuite gastarbeiders doen dan alles voor ze, van het verzorgen van hun kroost tot het beschermen en voeden ervan. Een dergelijke relatie tussen soorten wordt obligaat parasitisme genoemd, omdat de parasieten niet alleen kunnen overleven.

Deze arbeidersloze sociale parasieten, ook wel inquilines genoemd (van het Latijnse woord voor "huurders"), hebben een kenmerkend uiterlijk waardoor ze zich voor menselijke ogen gemakkelijk onderscheiden van hun gastheren. Maar hun parasitaire plan slaagt omdat ze manieren hebben ontwikkeld om chemische geuren uit het gastnest te stelen om zichzelf te camoufleren.

Genomische analyses hebben aangetoond dat inquiline-miersoorten tientallen keren onafhankelijk van elkaar zijn geëvolueerd, en bijna allemaal parasiteren op een nauw verwante soort die eruitziet en zich gedraagt ​​​​zoals mieren dat normaal doen. Voor evolutiebiologen vormde dat een mysterie: hoe kon een nieuwe soort van obligate sociale parasieten evolueren van zijn gastheersoort? Als hun voorouders samen in hetzelfde nest hadden geleefd, zouden ze zich te gemakkelijk hebben gekruist.

Jarenlang veronderstelden onderzoekers dat de eerste stap reproductieve isolatie was geweest: dat de vroege voorouders van de inquilines normale mieren waren die reproductief lang genoeg geïsoleerd waren van hun verwanten om genetisch van hen af ​​te wijken en een nieuwe soort te worden. Ze konden op zichzelf leven, maar sommigen van hen ontdekten uiteindelijk de voordelen van terugsluipen in de nesten van hun voorouders voor hulp. Hun afhankelijkheid van hun gastheren nam geleidelijk toe en ze evolueerden van een staat van optioneel of "facultatief" parasitisme naar verplicht parasitisme.

Het probleem met dat idee, legde Kronauer uit, is dat niemand ooit in het wild heeft waargenomen wat een essentiële, vroege stap van het proces zou moeten zijn: vrijlevende, facultatieve sociale parasieten die geïsoleerd leven van hun naaste verwanten.

De nieuwe bevindingen van Trible en Kronauer zetten de eerdere aannames op hun kop. Hun alternatieve scenario concentreerde zich op het paar niet-overeenkomende supergenen in de klonale raider-mieren. Ergens in de geschiedenis had een van die mieren een mutatie meegemaakt die het supergen op het ene chromosoom verving door een kopie van het supergen van het andere chromosoom. De resulterende gemuteerde mier met twee kopieën van de "parasitaire" versie van het supergen had zich plotseling kunnen ontwikkelen tot een miniatuurkoningin die veel op een inquiline leek.

Het werk toonde aan dat een enkele mutatie in een supergen voldoende was om de volledige reeks veranderingen te produceren die werden waargenomen in de obligate parasieten, zelfs voordat de mieren werden gesplitst door soortvorming.

"Je kunt in één stap van vrijlevend naar obligaat parasitair gaan, en je hoeft niet een aantal geleidelijke stappen te nemen waarbij een reproductief geïsoleerde facultatieve tussenpopulatie betrokken is", zei Trible, die nu aan de Harvard University studeert. "Waar we zeker van kunnen zijn, is dat een vrijlevende ouder een dochter had die meteen een obligate parasiet was."

Hij vervolgde: "Dat is het scenario dat nog nooit door een van de klassieke evolutietheoretici was aanvaard, omdat dat het scenario was waarvan men dacht dat het een te grote sprong voor je was om te nemen."

Het feit dat een enkele mutatie al deze eigenschappen in één stap kan veranderen, "verandert echt de manier waarop we denken over de evolutie van deze rare, werkloze sociale parasieten", zei Kronauer.

De kracht van supergenen

Er is weinig bekend over de evolutionaire geschiedenis van het supergen op chromosoom 13 dat het fenotype van de sociale parasiet verleent. Het is echter onwaarschijnlijk dat het is geëvolueerd in een klonale soort zoals de raider mieren. "De klonale mieren zouden de laatste plaats zijn geweest om naar supergenen te zoeken," zei Michel Chapuisat, die mierensupergenen bestudeert aan de Universiteit van Lausanne in Zwitserland.

De reden is dat alle mieren in een klonale soort genetisch identiek zijn: afgezien van willekeurige mutaties, gaan hun genomen onveranderd over van ouder op kind. Er gebeurt echter iets gecompliceerder bij seksueel reproductieve soorten.

In de cellen die eieren en sperma produceren, staan ​​de maternale en paternale kopieën van de chromosomen op één lijn en verwisselen overeenkomstige DNA-segmenten. Dit proces van "recombinatie" maakt het mogelijk dat sets van overgeërfde eigenschappen willekeurig worden herschikt; zonder dat zouden genen voor altijd in de moederlijke of vaderlijke afstamming worden opgesloten.

Vanwege recombinatie zouden genen voor verschillende parasitaire gedragingen willekeurig kunnen zijn samengebracht op chromosoom 13. Natuurlijke selectie zou dan sterk de voorkeur hebben gegeven aan de vereniging van die allelen die goed samenwerkten. "Als je een parasietbepalend gen hebt, kun je er geleidelijk een aantal andere genen naast leggen die [de mier] steeds beter maken in het zijn van een parasiet," zei Trible.

Recombinatie zou die genen uiteindelijk weer hebben kunnen scheiden, maar een noodlottig genetisch ongeluk kwam tussenbeide. Soms, wanneer chromosomen worden gerepareerd na schade, wordt een stukje DNA terug ingebracht in een omgekeerde oriëntatie. Omdat omgekeerd DNA niet kan worden uitgelijnd met zijn chromosomale tegenhanger, kan het niet recombineren, dus alle genen in het DNA zijn permanent aan elkaar vergrendeld als een nieuwe erfelijke eenheid - een supergen.

Dat is misschien wat er gebeurde op chromosoom 13: een inversie in dat stuk DNA van 2.25 miljoen basenparen zou de eigenschappen voor sociaal parasitisme als een supergen aan elkaar kunnen hebben verbonden, dat vervolgens door natuurlijke selectie in stand werd gehouden. Purcell merkte op dat er veel onderzoek is gedaan naar andere manieren waarop een supergen zoals dit zou kunnen ontstaan, maar "er is zo'n groot voordeel van het hebben van allelen die goed samenwerken, samengebracht in een regio met lage recombinatie", zei ze.

Chapuisat denkt dat het waarschijnlijk is dat het supergen voor alle waargenomen parasitaire eigenschappen gedurende een lange tijd is geëvolueerd in een seksuele voorouder van de klonale roovermieren. Het parasitisme zou zich hebben gemanifesteerd in de mieren die twee exemplaren van het supergen droegen, en de mieren met één of geen exemplaren zouden hun gastheren zijn geweest. Toen de roofmieren klonaal en heterozygoot werden, met slechts één kopie van het supergen, verdween het parasitaire gedrag - maar het supergen bleef bestaan. En toen een mutatie uiteindelijk nieuwe homozygote klonale raiders creëerde, werden de slapende supergene eigenschappen opnieuw geactiveerd en verschenen de miniatuur koninginachtige mutanten van de ene op de andere dag.

Chromosoomherschikking en evolutie

Dit mierensupergen is verre van een op zichzelf staand voorbeeld; het kan in ieder geval een meer algemene en nog steeds ondergewaardeerde manier illustreren waarop veel complexe eigenschappen evolueren.

"Er zijn steeds meer onderzoeken die ons laten zien dat herschikkingen van het genoom een ​​fundamentele invloed kunnen hebben op het gedrag en de sociale organisatie van soorten", zei hij. Christelijke Rabeling, een entomoloog aan de Universiteit van Hohenheim in Stuttgart, Duitsland, die bestudeert hoe sociaal parasitisme zich ontwikkelde bij mieren.

In het 30 miljoen jaar oude, seksueel voortplantende geslacht van Formica mieren zijn er bijvoorbeeld minstens vier geslachten waarin een gedeeld supergen bepaalt of hun kolonie één of meerdere koninginnen zal hebben. Andere groepen mieren hebben supergenen die ze onafhankelijk hebben ontwikkeld, waarbij ze reeksen gedrags- en morfologische eigenschappen beheersen die belangrijk zijn voor hun manier van leven, zei Purcell.

Al deze supergenen zouden kunnen zijn wat Trible en andere onderzoekers nu 'sociale chromosomen' noemen. Net zoals de X- en Y-geslachtschromosomen bij mensen het geslacht bepalen, bepalen de supergenen in de mieren de sociale organisatie van kolonies. Het is geen gemakkelijke vergelijking voor Trible. Supergenen en geslachtschromosomen bundelen beide genen die dan altijd samen worden overgeërfd en geven collectief een reeks eigenschappen. Net zoals sommige geslachtsgebonden eigenschappen gunstig zijn voor mannen of vrouwen, maar niet voor beide, kunnen de parasitaire supergenen voordelig zijn voor de homozygote inquilines, maar niet voor de heterozygote gastheren.

"Om de een of andere reden hebben populatiegenetici geslachtschromosomen opzij gezet als een aparte vorm van evolutie," zei Trible. Hoewel het nog steeds onzeker is hoe vaak de sociale chromosomen voorkomen, "wat [ze] ons vertellen is dat supergenen overal zijn en dat geslachtschromosomen een speciaal geval van een supergen zijn."

Welke genen en controle-elementen precies gebundeld zijn binnen het supergen van de klonale roovermieren is nog onbekend. Maar het ontleden van dat supergen en andere in verschillende mierensoorten kan iets onthullen over de evolutie en ontwikkeling van kasten in mierenkolonies. Wanneer een mierenlarve zich ontwikkelt, bepalen omgevingsfactoren of het een koningin of een werkster wordt, een beslissing die het gedrag van de larve, zijn lichaamsgrootte, de ontwikkeling van zijn vleugels en eierstokken en zijn vermogen om eieren te leggen dicteert. Die eigenschappen zijn zo sterk met elkaar verbonden dat onderzoekers hebben ontdekt dat het experimenteel verschuiven van de ene de andere meestal meetrekt. Trible en Kronauer denken dat onderzoekers, door te leren hoe het parasitisme-supergen de correlatie tussen lichaamsgrootte en de andere koningin-geassocieerde eigenschappen veranderde, de genetische mechanismen voor normale kaste-ontwikkeling kunnen ontdekken.

Soortvorming, evolutie en parasitisme

Het werk van Trible en Kronauer roept ook andere vragen op over evolutie en ontwikkeling, waaronder hoe een supergene mutatie zich verhoudt tot soortvorming. In de Formica mieren, de single-queen en multi-queen kolonies lijken niet te splitsen in onafhankelijke geslachten. Beide vormen van het supergen lijken comfortabel te worden gehandhaafd als een "polymorfisme" binnen een enkele soort.

Voor Chapuisat is de vraag of de koninginachtige mutanten een "bedrieger-lijn" zijn die zich gedraagt ​​als een parasiet binnen de klonale raider-miersoort. "Of is het op weg om een ​​aparte soort te worden?" hij vroeg.

Hoe precies een soortvormingsgebeurtenis zou kunnen plaatsvinden nadat het parasitaire fenotype is ontstaan, is een mysterie, maar dit soort supergene mutatie biedt een plausibel mechanisme voor snelle soortvorming door sociaal parasitisme, zei Purcell. Zowel zij als Chapuisat waarschuwden echter dat al deze vragen en speculaties gecompliceerd worden door de gladheid van het definiëren van wat een soort is in een klonaal organisme zoals deze mieren.

Om aan te tonen dat een supergenmutatie eigenlijk het mechanisme is waarmee sociale parasietensoorten evolueren, suggereert Rabeling dat het belangrijk zal zijn om te zien of de inversies op chromosomen, die structurele kenmerken zijn van supergenen, aanwezig zijn in veel gastheer-parasietparen. Hebben de tientallen andere inquiline-mierensoorten vergelijkbare supergene mutaties?

Rabeling gelooft dat er mogelijk andere mechanismen zijn, zoals hybridisatie, die ook het supergen met deze constellatie van eigenschappen zouden kunnen creëren. "Ik zou verwachten dat er niet slechts één mechanisme is voor hoe sociaal parasitisme evolueert, maar dat er waarschijnlijk veel verschillende mechanismen zijn", zei hij. "En hoe meer empirische systemen we bestuderen, hoe meer mechanismen voor de oorsprong van sociaal parasitisme we waarschijnlijk zouden vinden."