מאפיינים רבים של אאוסוציאליות חרקים נשענים על תקשורת בתוך המושבה וחלוקת עבודה. מניפולציה גנטית של גנים רגולטוריים מרכזיים בעוברי נמלים באמצעות מיקרו-הזרקה ומוטגנזה בתיווך קריספר מספקת תובנות על טבעה של התנהגות אלטרואיסטית בחרקים אאוסוציאליים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
מאפיינים רבים של אאוסוציאליות חרקים נשענים על תקשורת בתוך המושבה וחלוקת עבודה. מניפולציה גנטית של גנים רגולטוריים מרכזיים בעוברי נמלים באמצעות מיקרו-הזרקה ומוטגנזה בתיווך קריספר מספקת תובנות על טבעה של התנהגות אלטרואיסטית בחרקים אאוסוציאליים.
התכונות הייחודיות של חרקים אאוסוציאליים, כגון התנהגות חברתית וחלוקת עבודה רבייתית, נשלטות על ידי המערכת הגנטית שלהם. כדי לטפל באופן שבו גנים מווסתים תכונות חברתיות, פיתחנו נמלים מוטנטיות באמצעות העברה של קומפלקס קריספר לעוברים צעירים בשלב הסינסיטיאלי שלהם. כאן, אנו מספקים פרוטוקול של מוטגנזה בתיווך קריספר במלח Harpegnathos, מין נמלה פונרין המציג פלסטיות פנוטיפית מרשימה. H . נמלים מלח מגודלים בקלות בסביבה מעבדתית. העוברים נאספים למיקרו-הזרקות עם חלבוני Cas9 ומסונתזים במבחנה של רנ"א קטנים (sgRNAs) באמצעות מחטי קוורץ תוצרת בית. עוברים לאחר הזרקה מגודלים מחוץ למושבה. לאחר הופעת הזחלים הראשונים, כל העוברים והזחלים מועברים לתיבת קן עם כמה עובדים סיעודיים להמשך פיתוח. פרוטוקול זה מתאים לגרימת מוטגנזה לניתוח פיזיולוגיה ספציפית לקאסטות והתנהגות חברתית בנמלים, אך ניתן ליישם אותו גם על ספקטרום רחב יותר של קרום הבתולים וחרקים אחרים.
האבולוציה של האאוסוציאליות בחרקים, כלומר אלה של המסדרים Hymenoptera ו Blattodea (לשעבר Isoptera), הביאה תכונות התנהגותיות ייחודיות ולעתים קרובות מתוחכמות המתבטאות הן ברמת הפרט והן ברמת המושבה. חלוקת העבודה של הרבייה, תכונה המאפיינת את הקבוצות המתקדמות ביותר של חרקים חברתיים, כוללת לעתים קרובות מערכות קאסטות המורכבות מכמה קבוצות התנהגותיות ולעתים קרובות מורפולוגיות מובחנות. מגוון התנהגותי ומורפולוגי כזה בין קאסטות נשלט לא רק על ידי המערכת הגנטית שלהם, אלא גם לעתים קרובות על ידי הסביבה 1,2,3,4, מה שהופך חרקים אאוסוציאליים לנושאים אטרקטיביים למחקר גנטי ואפיגנטי.
היכולת לתמרן את המערכת הגנטית של חרקים אאוסוציאליים הוכחה כמאתגרת מכיוון שמינים רבים אינם מזדווגים ומתרבים בסביבות מעבדה. לרוב החרקים האאו-סוציאליים יש גם מעט מאוד פרטים רבייה במושבה, מה שמגביל את מספר הצאצאים שניתן לייצר וכתוצאה מכך, מגביל את גודל המדגם למניפולציה גנטית5. בנוסף, לחרקים אאוסוציאליים רבים יש זמני דור ארוכים בהשוואה לחרקים המשמשים בדרך כלל למחקרים גנטיים (כגון דרוזופילה), מה שמוסיף לקושי לבסס קווים גנטיים5. עם זאת, מינים אאו-סוציאליים מסוימים יכולים ליצור חלק גדול של פרטים פעילים רבייה במושבה, מה שמקל על האתגרים ומספק הזדמנויות להקים קווים מוטנטיים או מהונדסים.
במקרה של מין נמלת הפונרין, Harpegnathos saltator, כל העובדות יכולות להיות פעילות רבייה עם מותה של מלכה או בידוד חברתי. עובדים אלה מכונים "גיימרגייטס" וניתן להשתמש בהם ליצירת מושבות חדשות6. יתר על כן, ייתכן שיש יותר מגיימרגייט אחד נוכח במושבה, ובכך להגדיל את ייצור הצאצאים 5,7,8. עד כה פותחו קווים מוטנטיים ו/או מהונדסים בדבורת הדבש האירופית, Apis mellifera, ובמיני הנמלים, H. saltator, Ooceraea biroi ו-Solenopsis invicta 9,10,11,12,13,14,15 . ניתוחים גנטיים בדבורים ובנמלים חברתיות סללו את הדרך להבנה טובה יותר של אאוסוציאליות, וסיפקו מגוון הזדמנויות לחקר גנים והשפעתם על התנהגות חרקים אאו-סוציאליים ופיזיולוגיה ספציפית לקאסטות.
כאן, אנו מספקים פרוטוקול לשינוי גנטי באמצעות מערכת CRISPR/Cas9 ב- H. saltator. באופן ספציפי, טכניקה זו שימשה ליצירת מוטציה germline ב orco, הגן המקודד את הקולטן המשותף המחייב של כל קולטני ריח (ORs)10. גנים של OR הורחבו להפליא בחרקים אאוסוציאליים של Hymenopteran16, ואורקו ממלא תפקיד חיוני בריח חרקים; בהיעדרו, ORs אינם מורכבים או מתפקדים כרגיל. מוטציות בגן אורקו משבשות אפוא את תחושת חוש הריח, את ההתפתחות העצבית ואת ההתנהגויות החברתיות הנלוות 9,10.
בפרוטוקול זה, חלבוני Cas9 ורנ"א מנחים קטנים (sgRNAs) מוחדרים לעוברי נמלים באמצעות מיקרו-הזרקה לצורך גרימת מוטגנזה של גן מטרה. כאן נתאר בפירוט את הליך המיקרו-הזרקה יחד עם הוראות לגבי הטיפול במושבות ובעוברים מוזרקים. שיטות אלה מתאימות לגרימת מוטגנזה במגוון גנים שונים בנמלים מסוג H. saltator , וניתן ליישם אותן על ספקטרום רחב יותר של חרקים קרום הבתולים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. תחזוקה שוטפת של מושבות מלח Harpegnathos
2. הכנת מחטי מיקרו הזרקה מזכוכית קוורץ
3. הכנת מיקרו-אינז'קטור
4. הזרקת עוברים
5. גידול עוברים מוזרקים
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
באמצעות הפרוטוקול המסופק כאן, עריכת הגנום בעוברי מלח Harpegnathos בוצעה בהצלחה. תוצאות אלה אומתו באמצעות תגובת שרשרת פולימראז ושיבוט pGEM של דנ"א המופק מעוברים מוזרקים ולאחר מכן ריצוף דנ"א. היעילות של מוטגנזה סומטית באמצעות פרוטוקול זה הגיעה לכ-40%. זכרים מוטנטים מסוג F1 הזדווגו לנקבות מסוג בר כדי לייצר נקבות F2 הטרוזיגוטיות אשר, אם לא הזדווגו, הניבו זכרי F3. זכרי F3 מוטנטים הזדווגו עם נקבות הטרוזיגוטיות כדי לייצר נקבות מוטנטיות הומוזיגוטיות F4. היעדרו של פפטיד המטרה אושר עוד יות...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
האבולוציה של האאוסוציאליות בקרב חרקים, כולל נמלים, דבורים, צרעות וטרמיטים, הביאה להופעתן של תכונות התנהגותיות ומורפולוגיות חדשות, שרבות מהן מובנות כמושפעות משילוב של גורמים סביבתיים וגנטיים 1,2,3,4. למרבה הצער, האטרקטיביות והתועלת של חרקים אאוסוציאליים כמודלים מחקריים בתחום הגנטיקה הופרעה על ידי הקשיים הקשורים למוטגנזה בקבוצה זו. מכשול זה מתרחש עקב חלוקת עבודה רבייתית, תכונה מרכזית של חרקים אאו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
המחברים מודים למעבדות של דני ריינברג וקלוד דספלן באוניברסיטת ניו יורק ולמעבדה של יורגן ליביג באוניברסיטת אריזונה סטייט על תמיכתם בגנטיקה של נמלים. הואה יאן מכיר בתמיכה של הקרן הלאומית למדע I/UCRC, המרכז לטכנולוגיות ניהול פרוקי רגליים תחת מענק מס 'IIP-1821914 ועל ידי שותפים בתעשייה. מאיה סער נתמכה על ידי הקרן הדו-לאומית למחקר ופיתוח חקלאי ע"ש ארה"ב - ישראל, מלגת Vaadia-BARD לפוסט-דוקטורט מס' FI-595-19.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אנטיביוטיקה-אנטימיקוטית (100X) | ThermoFisher | 15240-062 | |
| חלבון Cas9 עם NLS, ריכוז גבוה | PNA Bio | CP02 | |
| גליל צלופן 20 אינץ' X 5 רגל | מוצרי היפוגלוס | B00254CNJA | למוצר וריאציות צבע רבות. רכשו אותו באדום לשימוש בהכנת קני נמלים. |
| מיקרוסקופ זקוף Eclipse Ci-S | מלקחיים במשקל נוצה של Nikon | Ci-S | |
| , קצה צר | BioQuip | 4748 | |
| FemtoJet ll מיקרו-מזרק | Eppendorf | 920010504 | מוצר זה אינו נמכר עוד או נתמך על ידי Eppendorf. ניתן להשתמש במיקרו-מזרק דומה במקום זאת. |
| קצות פיפטה מיקרו-מעמיס | Eppendorf | 930001007 | |
| מסד הנתונים של NCBI | המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי | מזהה גנים: 105183395 | |
| P-2000 Micropipette Puller | Sutter Instruments | P-2000/G | |
| קופסאות פלסטיק (19 X 13.5 ס"מ2) | Pioneer Plastics | 079C | |
| קופסאות פלסטיק (27 X 19 ס"מ2) | פיוניר פלסטיק | 195C | |
| (9.5 X 9.5 ס"מ2) | פיוניר פלסטיק | 028C | |
| זכוכית קוורץ ללא נימה | Sutter Instruments | Q100-50-7.5 | |
| מספריים Vannas, 8.5 ס"מ | מכשירי דיוק עולמיים | 500086 | |
| Winsor & מברשת סינתטית ניוטון קוטמן צבעי מים מסדרת 111 עם ידית קצרה - עגולה #000 | Winsor ו-Newton | 5301030 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.