[논문 리뷰] Decentralized physiology and the molecular basis of social life in eusocial insects

Daniel Friedman, Brian R. Johnson외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Insect and Arachnid Ecology and Behavior참고 문헌 140인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 기생충, 신경전달물질 및 페로몬과 같은 보존된 신호 전달 경로가 사회성 곤충 군집 내에서 상호작용을 통해 집단 수준의 특성인 계급 분화와 집단적 번식 행동을 조절하는 데 기여하는 분산된 생리학적 프레임워크를 제안한다. 이는 분자적 혁신과 개인 간의 생리적 통합을 통해 사회적 복잡성이 어떻게 진화하는지를 드러낸다.

ABSTRACT

The traditional focus of physiological and functional genomic research is on molecular processes that play out within a single body. In contrast, when social interactions occur, molecular and behavioral responses in interacting individuals can lead to physiological processes that are distributed across multiple individuals. In eusocial insect colonies, such multi-body processes are tightly integrated, involving social communication mechanisms that regulate the physiology of colony members. As a result, conserved physiological mechanisms, for example related to pheromone detection and neural signaling pathways, are deployed in novel contexts and regulate emergent colony traits during the evolutionary origin and elaboration of social complexity. Here we review conceptual frameworks for organismal and colony physiology, and highlight functional genomic, physiological, and behavioral research exploring how colony-level traits arise from physical and chemical interactions among nestmates. We highlight mechanistic work exploring how colony traits arise from physical and chemical interactions among physiologically-specialized nestmates of various developmental stages. We consider similarities and differences between organismal and colony physiology, and make specific predictions based on a decentralized perspective on the function and evolution of colony traits. Integrated models of colony physiological function will be useful to address fundamental questions related to the evolution and ecology of collective behavior in natural systems.

연구 동기 및 목표

• 개체 생리학에 비유할 수 있는 집단 수준의 생리학에 대한 개념적 프레임워크를 수립하는 것.
• 호르몬 신호 전달 및 유전자 발현과 같은 분자 메커니즘이 사회적 맥락에서 어떻게 재사용되는지 조사하는 것.
• 특화된 동료들 사이에서 신체적·화학적 상호작용이 집단 수준의 기능을 조율하는 데 어떻게 기여하는지 검토하는 것.
• 사회성 곤충에서 사회적 복잡성이 나타나는 데 기여하는 진화적 및 게놈적 변화를 규명하는 것.
• 기능 게놈학, 생리학 및 행동을 통합하여 곤충 사회의 집단 조절을 모델링하는 것.

제안 방법

• 다세포 생물의 생리학에 비유하여 집단 수준의 과정을 비교하는 분산 생리학 모델을 채택한다.
• 사회성 종들 간의 유전자 발현, 호르몬 신호 전달 및 신경 경로에 관한 기능 게놈학 데이터를 검토한다.
• 개미, 꿀벌, 나방 등에서 사회 조절에 관여하는 보존된 분자 체계(예: 비생성 아민, 유생호르몬, 코라조닌)를 분석한다.
• 페로몬, 트로파일라시스, 소형 RNA를 통한 개인 간 소통 방식이 생리적 조율의 수단으로서 어떻게 작용하는지 분석한다.
• 비교 게놈학을 통해 사회 진화와 관련된 유전자 가닥 확장(예: 냄새 수용체)을 평가한다.
• 시스템 수준의 모델을 적용하여 개인의 행동과 분자 반응이 어떻게 집단 수준의 결과로 통합되는지 이해한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보존된 분자 경로는 사회성 곤충의 집단 수준 특성 조절에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 동료들 간의 신체적·화학적 상호작용은 집단 전반에 걸쳐 생리적 조율을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 유전자 발현과 단백질 코딩 서열의 변화는 계급 분화와 직무 특화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 특히 감각 및 신호 전달 경로에서의 유전자 가닥 확장은 사회 곤충에서 어떤 진화적 의의를 갖는가?
• RQ5 집단 수준에서의 분산 조절은 고립 생물의 생리적 조절과 어떻게 유사하거나 다른가?

주요 결과

• 군집 구조 및 집단적 번식 행동과 같은 집단 수준의 특성은 생리적으로 특화된 동료들 간의 분산된 분자적·행동적 상호작용에서 유래한다.
• 유생호르몬, 비생성 아민, 페로몬과 같은 보존된 신호 분자들이 사회 생리와 작업 배분 조절에 재사용되어 군집 전반에 걸쳐 기능한다.
• 냄새 수용체 및 감각 경로의 유전자 가닥 확장은 선진 사회적 복잡성과 생태적 적응에 선진화된 라인에 따라 관련이 있다.
• 전사체 및 에피제네틱 변화(예: DNA 메틸화)는 사회 곤충에서 계급 특화 및 연령에 따른 생리적 변화와 함께 나타난다.
• 신체적 상호작용(예: 진동, 촉각 신호)과 화학적 신호 전달(예: 페로몬, 영양소 전달)은 군집 구성원 간 생리적 조율의 핵심 메커니즘으로 작용한다.
• 기능 게놈학은 신호 전달 경로의 분자적 진화가 사회성 곤충에서 사회적 복잡성의 진화적 발전을 이끄는 데 기여한다는 것을 드러낸다.