Certaines fourmis ouvrières peuvent modifier leur cerveau pour devenir des reines
Le cerveau des animaux est plastique, il peut modifier sa structure et sa fonction. Mais certaines fourmis poussent ce phénomène à un niveau assez extrême. Dans certaines conditions, elles peuvent passer du statut d’ouvrière à celui de reine, et la clé de ce changement est régie par une seule molécule.
Image d’entête : une ouvrière Harpegnathos saltator en pleine parade agressive (mandibules ouvertes) dirigée vers le photographe. (Karl Glastad/ Berger Lab)
Dans les colonies de fourmis, le rôle principal de la reine est de pondre des œufs, tandis que les ouvrières, elles, travaillent. Une colonie de fourmis peut contenir plus d’une reine, selon l’espèce, mais certaines espèces font quelque chose d’encore plus intriguant : elles ont des fourmis qui peuvent pondre des œufs comme des reines. Ces « fausses » reines sont appelées gamergates.
Chez la plupart des espèces de fourmis, les ouvrières sont stériles, mais chez les autres, les gamergates se reproduisent en plus des reines. Chez certaines espèces, les reines « normales » ont été complètement remplacées par des gamergates. Mais qu’est-ce qui fait qu’une ouvrière devient une gamergate qui pond des œufs, et comment ce processus se déroule-t-il exactement ? Pour le découvrir, une équipe de chercheurs a étudié les fourmis d’une espèce appelée Harpegnathos saltator (ou fourmi sauteuse indienne).
Les gamergates sont donc des ouvrières qui ont pris le rôle social des reines selon Robert Bonasio, de la Perelman School of Medicine de l’Université de Pennsylvanie et qui a participé à l’étude. Il s’agit d’une » alternance » entre les rôles sociaux, mais aussi d’un changement physiologique. Bien qu’il n’y ait pas de changements physiques observables de l’extérieur, beaucoup de choses changent à l’intérieur. Par exemple, leurs ovaires s’agrandissent. De même, leur cerveau est en quelque sorte remanié.
Bonasio et ses collègues ont voulu comprendre comment l’activation ou la désactivation de certains gènes affecte la fonction cérébrale et le comportement. Pour ce faire, les chercheurs ont dû trouver un moyen d’isoler les neurones du cerveau des fourmis et de les maintenir en vie dans des coupelles en plastique et un milieu de culture artificiel. C’est une pratique courante pour la recherche sur les souris et les rats, mais c’est beaucoup plus difficile pour les insectes. Cependant, le Dr Janko Gospocic, premier auteur de l’étude, a proposé une innovation importante.
Pendant un certain temps, le Dr Gospocic a essayé de fabriquer un milieu de culture en produisant des extraits de pupes de fourmis (c’est-à-dire en les congelant et en les homogénéisant), puis en les ajoutant aux neurones cultivés. Cette méthode s’est avérée impossible à maintenir en raison du nombre de pupes nécessaires. Puis il a eu un moment eurêka. Il s’est dit que, les fourmis et les abeilles étant des cousins relativement proches, il serait possible de substituer des pupes d’abeilles dans la recette. Et voilà, ça a marché. Le secret d’un cerveau de fourmi en bonne santé semble donc être des smoothies d’abeilles congelés.
Forte de cette méthode, l’équipe a pu étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents qui provoquent ce changement. Ils ont identifié deux hormones (l’hormone juvénile et l’ecdysone) qui sont présentes à des niveaux différents dans le corps des ouvrières et des gamergates. Ces hormones semblent produire des schémas distincts d’activation des gènes dans le cerveau des deux castes. Ce résultat est surprenant, explique Bonasio, car les chercheurs s’attendaient à trouver un ou plusieurs facteurs de transcription (protéine qui active ou désactive les gènes) chez les ouvrières, puis un ensemble différent de facteurs de transcription uniquement actifs chez les gamergates. Il était intéressant pour les chercheurs d’en trouver un qui pouvait jouer les deux rôles.
Toutefois, la surprise est survenue lorsque les chercheurs ont découvert que les deux hormones influençaient les cellules en activant une seule protéine appelée Kr-h1. Toutefois, ils précisent qu’il ne s’agit pas du seul interrupteur responsable de la transformation d’une ouvrière en reine ou vice versa. Ces choses sont généralement complexes et Kr-h1 est probablement l’un des nombreux facteurs qui contrôlent la transition sociale.
Illustration montrant comment le facteur de transcription Kr-h1 stabilise l’identité de caste en supprimant les comportements sociaux inappropriés. (Roberto Bonasio/ photos Brigitte Baella et Karl Glastad)
Résumé graphique de l’étude. (Janko Gospocic et col./ Cell)
Pour les chercheurs, il est difficile de tracer des lignes directes des invertébrés aux humains, mais ils peuvent s’appuyer sur cette étude pour comprendre la plasticité cérébrale et les mécanismes qui la régissent dans différents types d’animaux.
Les chercheurs de conclure :
La plasticité est bien sûr très importante pour tout cerveau, y compris le nôtre, et la perte de plasticité a de mauvaises conséquences. Il serait très intéressant de découvrir que des protéines et des hormones présentant des similitudes avec celles que nous avons trouvées chez les fourmis sont également à l’œuvre dans le cerveau des mammifères, et nous allons certainement poursuivre cette piste de recherche à l’avenir.
L’étude publiée dans la revue Cell : Kr-h1 maintains distinct caste-specific neurotranscriptomes in response to socially regulated hormones.
