DNA 메틸화가 꿀벌 일벌의 수명에 영향을 미친다 (논문)

[꿀벌나라]

Insect Biochemistry and Molecular Biology

Volume 92, January 2018, Pages 21-29

곤충 생화학 및 분자 생물학

92 권, 2018 년 1 월, 21-29 페이지

DNA methylation affects the lifespan of honey bee (Apis mellifera L.) workers –

Evidence for a regulatory module that involves vitellogenin expression‎ but is

independent of juvenile hormone function

DNA 메틸화가 꿀벌 (서양종) 일벌의 수명에 영향을 미친다 – 난황형성전구체 발현을 관여하지만

유약 호르몬 기능과는 관계가 없는 조정 모듈에 대한 증거

Abstract

요약

The canonic regulatory module for lifespan of honey bee (Apis mellifera) workers involves a mutual repressor 

relationship between juvenile hormone (JH) and vitellogenin (Vg). Compared to vertebrates, however, little is

known about a possible role of epigenetic factors.

꿀벌 (서양종) 일벌의 수명에 대한 표준 조절 모듈은 유약 호르몬 (JH)과 난황형성전구체 (Vg) 간의

상호 억제체 관계를 포함한다. 그러나 척추 동물에 비해, 후성적(後成的) 요인의 가능한 역할에

대해서는 알려진 바가 거의 없다.

epigenetic factor 〔후성적(後成的) 요인〕 : 유전자 외적 요인(遺傳子外的要因)

The full genomic repertoire of DNA methyltransferases (DNMTs) makes the honey bee an attractive emergent

model for studying the role of epigenetics in the aging process of invertebrates, and especially so in social

insects.

DNA 메틸 트랜스퍼라제 (DNMT)의 전체 게놈 레퍼토리(목록)는 꿀벌을 무척추 동물의 노화 과정,

특히 사회 곤충에서 후성 유전학의 역할을 연구하기 위한 매력적인 신생 모델로 만든다.

We first quantified the transcript levels of the four DNMTs encoding genes in the head thorax and abdomens

of workers of different age, showing that dnmt1a and dnmt3 expression‎ is up-regulated in abdomens of

oldworkers, whereas dnmt1b and dnmt2 are down-regulated in heads of old workers.

우리는 먼저 나이가 다른 일벌의 머리 흉부와 복부에서 유전자를 코드화하는 4 개의 DNMT의

전사 수준을 정량화하여, dnmt1a 및 dnmt3 발현이 노봉의 복부에서 상향 조절되는 반면, dnmt1b

및 dnmt2는 머리에서 하향 조절됨을 보여 준다. 

Pharmacological genome demethylation by RG108 treatment caused an increase in worker lifespan.

Next, weshowed that the genomic DNA methylation status indirectly affects vitellogenin gene expression‎

both in vitro and in vivo in young workers, and that this occurs independent of caloric restriction or JH

levels, suggesting that a non-canonical circuitry may be acting in parallel with the JH/Vg module to

regulate the adult life cycle of honey bee workers.

RG108 처리에 의한 약리학적 게놈 탈메틸화는 일벌 수명을 증가 시켰다. 다음으로, 우리는

게놈 DNA 메틸화 상태가 유봉의 시험관 내 및 생체 내에서 난황형성전구체 유전자 발현에

간접적으로 영향을 미치며, 이는 칼로리 제한 또는 JH 수준과 무관하게 발생한다는 것을 보여

주었으며, 이는 비정규 회로가 꿀벌 일벌의 생활주기를 조절하는 JH / Vg 모듈과 평행하여

작용할 수 있음을 시사한다.

Our data provide evidence that epigenetic factors play a role in regulatory networks associated with

complex life history traits of a social insect.

우리의 데이터는 후성적 요인이 사회 곤충의 복잡한 생활사 특성과 관련된 조절 네트워크에서

역할을한다는 증거를 제공한다.

Graphical abstract

그래픽 요약

Model proposed for a DNA methylation pathway regulating aging of worker honey bees in the context

of the already known vitellogenin/juvenile hormone regulatory circuitry. The left boxes show the alrea...

이미 알려진 난황형성전구체 / 유약 호르몬 조절 회로의 맥락에서 일벌 꿀벌의 노화를 조절하는

DNA 메틸화 경로에 대해 제안된 모델.  왼쪽 상자는 .. 보여 준다.

Introduction

소개

DNA methylation by chemical modification of cytosines on CpG dinucleotide sites has been suggested as an

important factor in gene regulatory networks involved in aging, with strong evidence coming from methylome

analyses that contrasted human newborns and centenarians (Heyn et al., 2012).

CpG 디뉴클레오타이드 현장에 시토신의 화학적 수정에 의한 DNA 메틸화는  인간의 신생아와

100세 노인을 대조하는 메틸로메 분석에서 나온 강력한 증거와 함께, 노화와 관련된 유전자 조절

네트워크의 중요한 요소로 제안되었다 (Heyn et al., 2012).

Nonetheless, the full understanding on how DNA methylation impacts on aging remains far from conclusive,

especially since the best studied animal models for aging, Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster,

lack important components of the DNA methylation machinery.

그럼에도 불구하고, DNA 메틸화가 노화에 미치는 영향에 대한 완전한 이해는 결정적이지 않다.

특히 노화에 대해 가장 잘 연구된 동물 모델인 예쁜꼬마선충 및 노랑 초파리는 DNA 메틸화 절차의

중요한 구성 요소가 부족하기 때문이다.

In the absence of DNA methyltransferase (DNMT) enzymes, C. elegans completely lacks CpG methylation

(Gabor Miklos and Maleszka, 2011), and in D. melanogaster, which has only a dnmt2 ortholog, but no 

homologs of the dnmt1 and dnmt3 genes in its genome, DNA methylation is restricted to only few CA- and

CT-rich loci in certain developmental contexts (Kunert et al., 2003, Takayama et al., 2014).

DNA 메틸트랜스퍼라제 (DNMT) 효소가 없는 경우, 예쁜꼬마선충은 CpG 메틸화가 완전히

결여되어 있으며, 노랑초파리에서는 dnmt2 오소로그 만 있지만, 게놈에 있는 dnmt1 및

dnmt3 유전자의 동족체는 없다. DNA 메틸화는 특정 발달 상황에서 일부만 CA 및 CT가 풍부한

유전자 자리로 제한 된다.

Having a complete repertoire of DNMTs encoded in its genome (Wang et al., 2006) the honey bee, Apis

mellifera, has emerged as an interesting model for investigating the role of DNA methylation in invertebrates.

Since CpG methylation is largely restricted to gene bodies, and is not widespread over promoter regions,

identifying and connecting DNA methylation with specific gene functions, such as alternative splicing, could

thus be a simpler task than is the case with mammals(Lyko et al., 2010, Wang et al., 2006).

게놈 (Wang et al., 2006)에 암호화 된 DNMT의 완전한 목록을 가지고 있는 서양종 꿀벌은

무척추 동물에서 DNA 메틸화의 역할을 조사하기 위한 흥미로운 모델로 부상했다.  CpG 메틸화는

주로 유전자체로 제한되고, 프로모터 영역에 널리 퍼지지 않기 때문에, 대체 접합(짜깁기)과 같은,

특정 유전자 기능을 가진, DNA 메틸화를 식별하고 연결하는 것은 포유류의 경우보다 더 간단한

작업이 될 수 있다.

[유전학]  promoter (프로모터): 유전자를 구성하는 3요소의 하나.

Furthermore, the phenotypic plasticity exhibited in the adult females, which includes drastic morphological

and functional caste differences associated with reproduction and longevity, also shows great potential for

studies on aging and senescence (Cash et al., 2005, Withers et al., 1993).

또한, 번식 및 수명과 관련된 급격한 형태학적 및 기능적인 카스트 차이를 포함하는 성봉 일벌에서

나타나는 표현형 가소성은 노화 및 노후에 대한 연구의 큰 잠재력을 보여 준다.

Adult honey bee workers typically last only 30–45 days, but can live for up to six month as winter (diutinus)

bees in temperate climates, allowing colonies to survive through a long winter season (Page and Peng, 2001,

Winston, 1987). This variability in worker lifespan has been shown to be associated with their flight activity,

essentially with the transition from intranidal tasks, especially brood care, to the more risky tasks of foraging.

성봉 일벌은 일반적으로 30~45일 동안만 살아 가지만, 온대 기후에서 월동 (diutinus) 벌로 최대

6개월 까지 살 수 있어, 긴 겨울 계절 동안 봉군이 생존 할 수 있다.  일벌 수명의 이러한 다양성은

비행 활동과 관련이 있는 것으로 나타났으며, 본질적으로 내역 업무, 특히 유충 돌봄에서 부터

외역의 위험한 작업으로의 전환과 관련이 있다.

This major transition in the life cycle of an adult worker involves both dietary and physiological changes,

including the switch from a carbohydrate/protein to a pure carbohydrate diet, associated with a drop in

hemolymph vitellogenin (Vg) levels and an increase in the hemolymph juvenile hormone (JH) titer

(Hartfelder and Engels, 1998).

성봉 일벌의 생애주기에서 이러한 주요 전환에는 음식 및 생리적 변화가 모두 포함된다. 여기에는

탄수화물 / 단백질에서 순수 탄수화물 음식으로의 전환이 포함되며, 이는 혈강체액 난황형성전구체

(Vg) 수치 감소 및 혈강체액 유약 호르몬 역가의 증가와 관련이 있다. 

This physiological transition, which promotes foraging behavior, is conceptually formulated as a dual

repressor model (Amdam et al., 2005, Amdam and Omholt, 2002), wherein high Vg levels in young workers

suppress JH synthesis, and consequently maintain a basal JH titer (Guidugli et al., 2005).

외역 행동을 촉진하는 이 생리적 전환은, 개념상 이중 억제체 모델로 나타나며, 그 점에서 유봉의

높은 Vg 수준은 JH 합성을 억제하고, 결과적으로 기본적인 JH 역가를 유지한다. 

With the transition to foraging, the JH levels increase and suppress vg gene expression‎ (Elekonich et al., 2001).

This mutually repressive Vg/JH association in honey bees, which is a novelty in insects, has conceptionally

been associated with the apparent disruption of the reproduction/lifespan trade-off, a paradigm that

permeates life history theory of animals (Flatt et al., 2013, Rodrigues and Flatt, 2016).

외역활동 전환으로, JH 수준이 증가하고 vg 유전자 발현을 억제한다. 곤충에서의 신기한 것인

꿀벌의 상호간에 억압적인 Vg / JH 연관성은 동물의 일생사 이론에 퍼지는 전형적인 예(例),

번식/수명 균형의 명백한 붕괴와 개념상으로 관련이 되어 왔다.

More recently, another important life history link has been evidenced, a link between JH and DNA

methylation that affects honey bee caste development during the larval stages. (Foret et al., 2012,

Kucharski et al., 2008) have shown by RNA interference that the knockdown of dnmt3 gene function

affected the size of the corpora allata, the glands that produce JH, and induced a queen-like phenotype,

especially so in the ovary.

더 최근에는, 유충 단계에서 꿀벌 카스트(계급) 발달에 영향을 주는 JH와 DNA 메틸화 사이의

연관을, 또 다른 중요한 생명 역사 연결로 입증되었다. RNA 간섭을 통해 dnmt3 유전자 기능의

녹다운이 JH를 생성하는 분비선인 corpora allata체의 크기에 영향을 미치고, 특히 난소에서.

여왕벌과 같은 표현형을 유도한다는 것을 보여 주었다.

Subsequently, Foret et al. (2012) demonstrated that genes of the JH signaling pathway were differentially

methylated in queen and worker larvae. Hence, a question that emerged was whether DNA methylation

might also play a role in the already well-established Vg/JH regulatory circuitry that underlies the behavioral

transition in adult honey bee workers.

그 후, Foret 외 (2012)는 JH 신호 전달 경로의 유전자가 여왕벌과 일벌 유충에서 차등적으로

메틸화 되었음을 입증했다. 따라서, 등장한 의문은 DNA 메틸화가 성봉 일벌의 행동 전환의

기초가 되는 이미 잘 확립된 Vg / JH 조절 신경회로에서도 역할을 할 수 있는지 여부였다.

We investigated this by monitoring the expression‎ of the DNMT genes in different age classes of

honey bee workers, and we could show that dnmt3 transcript levels in the abdomen are positively

associated with age. Next, by treating adult workers with RG108 we pharmacologically inhibited DNMT

activity. Such a reduction in global DNA methylation resulted in an increase in worker longevity.

우리는 꿀벌 일벌의 서로 다른 연령대에 따라 DNMT 유전자의 발현을 모니터링함으로써

이것을 조사했으며, 

복부의 dnmt3 전사체 수준이 연령과 긍정적으로 관련이 있다는 것을 볼 수 있다. 다음으로,

성봉 일벌 RG108로 처리함으로써, 우리는 DNMT 활동을 약리학적으로 억제했다. 그러한 글로벌

DNA 메틸화의 감소는 일벌 수명을 증가 시켰다.

This lifespan increase was also found associated with an increase in vg expression‎, but without affecting

JH levels in hemolymph. Based on these data we propose a non-canonical circuitry involving DNA methylation

and Vg, as well as other not yet characterized components.

이 수명 증가는 vg 발현의 증가와 관련이 있는 것으로 밝혀졌지만, 혈강체액의 JH 수준에는 영향을

주지 않았다. 이러한 데이터를 기반으로, 우리는 아직 특성화 되지 않은 다른 구성 요소 뿐만 아니라,

DNA 메틸화 및 Vg 포함하는 비정규 신경회로를 제안한다.

We consider that this circuitry acts in parallel with the already well-established Vg/JH module that regulates

life history plasticity in honey bees.

우리는이 회로가 꿀벌의 생활사 가소성을 조절하는 이미 잘 확립된 Vg / JH 모듈과 병행하여

작동한다고 생각한다.

Figures

그림 

* DNMT gene expression‎ levels in honey bee workers in relation to age. The transcript levels of dnmt1a, 

dnmt1b, dnmt2 and dnmt3 genes were quantified by RT-qPCR in head, thorax and abdominal tissue of w...

나이에 따른 꿀벌 일벌의 DNMT 유전자 발현 수준. dnmt1a, dnmt1b, dnmt2 및 dnmt3 유전자의

전사 수준은 w의 머리, 흉부 및 복부 조직에서 RT-qPCR에 의해 정량화되었다.

*Effects of the pharmacological (RG108) inhibition of DNA methylation on survival rate, feeding behavior and

juvenile hormone titer. (A) Survival rate of workers treated with RG108 (dashed line) or DMS...

* DNA 메틸화의 약리학적 (RG108) 억제가 생존율, 먹이주기 행동 및 유약 호르몬 역가에 미치는 영향. (A)

RG108 (점선) 또는 DMS로 처리된 일벌의 생존율 ...

*RG108 effect on vitellogenin expression‎. (A) Relative vg gene expression‎ levels assessed by RT-qPCR. Individual abdominal

carcasses were cut in half and incubated invitro in the presence of RG108 or D...

* 난황형성전구체 발현에 대한 RG108 효과. (A) RT-qPCR에 의해 평가된 상대적 vg 유전자 발현 수준. 

RG108 또는 D...이 있는 곳에서 개체 복부 몸통을 반으로 절단하고 시험관 내에서 배양했다.

*Model proposed for a DNA methylation pathway regulating aging of worker honey bees in the context of the already

known vitellogenin/juvenile hormone regulatory circuitry. The left boxes show the alrea...

* 이미 알려진 난황형성전구체 / 유약 호르몬 조절 회로의 맥락에서 일벌 꿀벌의 노화를 조절하는 DNA 메틸화

경로에 대해 제안된 모델. 왼쪽 상자는 .. 보여줍니다.

* Effect of the pharmacological inhibition of DNMT activity by RG108 on honey bee worker lifespan. Shown

are the survival curves for 80 bees treated with RG108 or DMSO (control) in four separate cage ex...

*RG108에 의한 DNMT 활성의 약리학적 억제가 꿀벌 일벌 수명에 미치는 영향. 4 개의 별도

케이지에서 RG108 또는 DMSO (대조군)로 처리한 80 마리의 꿀벌에 대한 생존 곡선을 보여 준다.

Show all figures

모든 그림 보기 

Section snippets Bees

벌 분할 조각

Workers of Africanized A. mellifera hybrids were obtained from the Experimental Apiary of the University of

São Paulo at Ribeirão Preto, Brazil. Brood frames containing ready-to-emerge worker brood were kept in an

incubator (34 °C) and checked daily for bees that had emerged within a 1–20 h interval.

아프리카화 된 서양종 잡종의 일벌은 브라질의 리베이라오 프레토에 있는 샤오 파울로 대학의 실험

양봉장에서 얻었다. 즉시 출방할 수 있는 일벌 유충이 들어있는 유충 벌집을 인큐베이터 (34 ° C)에

보관되었고 매일 1 ~ 20시간 간격으로 출방한 벌이 있는지 매일 검사했다.

These bees, which were considered 0-day-old, were paint-marked and re-introduced into the colony of origin,

and were sampled once they had reached the desired age (1 day, 3 days, 1 week, or 1

생후 0 일로 간주되는 이 꿀벌은 페인트 표시를 하여 원래 봉군으로 다시 도입되었으며 원하는 나이

(1일, 3일, 1주 또는 1일)에 도달하면 샘플을 채취했다.

Transcript levels of DNMT genes vary with age and differ among body compartments

DNMT 유전자의 전사 수준은 연령에 따라 다르고 신체 구획에 따라 다르다.

Transcript levels of all four DNMTs encoded in the A. mellifera genome were quantified by RT-qPCR in

the head, thorax and abdominal compartments of workers of three different age classes: 1-day-old

workers (WD), 1-week-old workers (WW) and 1-month-old workers (WM) (Fig. 1).

서양종 꿀벌 게놈에 코드화된 4개 전부 DNMT의 전사 수준은 RT-qPCR에 의해 세가지 연령

등급의 일벌 머리, 흉부 및 복부 구획으로 정량화했다 : 1일령 일벌 (WD), 1주일령 일벌(WW),

1개월령 일벌(WM) (그림 1).

We found that dnmt1a transcript levels were lower in heads and abdomens of 1-week-old workers (WW)

(ANOVA - head F(2, 12) = 9.509, p < 0.01, N = 5; abdomen F(2, 11) = 5.480, p < 0.05, N = 4–5), whereas

dnmt1b and dnmt2 gene

1주령 일벌 (WW)의 머리와 복부에서 dnmt1a 전사 수준이 낮다는 것을 발견했다 (ANOVA-머리

F (2, 12) = 9.509, p <0.01, N = 5; 복부 F (2, 11) = 5.480, p <0.05, N = 4–5), dnmt1b 및

dnmt2 유전자

Discussion

토의

Here we found that in honey bee workers the expression‎ of DNA methylation genes is modulated in a tissue-specific

manner and varies in relation to age.

여기에서 우리는 꿀벌 일벌에서 DNA 메틸화 유전자의 발현이 조직 특이적 방식으로 조절되고 연령에 따라

달라진다는 것을 발견했다.

Such variation in the expression‎ of DNMTs encoding

DNMT 코드화 표현의 그러한 변화

genes and in 5-methyl-cytosine marks in the genome is, of course, neither new nor exclusive to honey bees, but has long

been associated with aging in mammals (Casillas et al., 2003, Gonzalo, 2010, Johnson et al., 2012). Nonetheless, such an

association has not yet been demonstrated as clearly

물론, 게놈의 5- 메틸-사이토신 마크에있는 유전자는, 꿀벌에게 새롭거나 배타적이지 않지만, 포유류의 노화와

오랫동안 관련되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 그러한 연관성은 아직 명확하게 입증되지 않았다.

Authors contributions

저자 기고

CAM carried out the molecular laboratory work, participated in the design of the study and data analysis, and drafted the

manuscript; KRGL participated in the design of the study and KH conceived and coordinated the study and edited the

manuscript. All authors gave their final approval for publication.

CAM은 분자 실험실 작업을 수행하고, 연구 기획 및 데이터 분석에 참여하고, 원고의 초안을 작성했다 :

KRGL은 연구 설계에 참여했고 KH는 연구를 구상하고 조정하고 원고를 편집했다. 모든 저자는 출판에 대한

최종 승인을 했다.

Funding

기금

This work was supported by grants from Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (2014/26659-1, 2016/

15881-0 and 2011/03171-5) and Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia (150937/2013-0 to K.R.G.L and 303401/

2014-1 to K.H).

이 작업은 Fundacão de Amparo → Pesquisa do Estado de Sao Paulo (2014/26659-1, 2016/15881-0 및

2011/03171-5) 및 Conselho Nacional de Cincia eCyncia (150937/2013-0)의 보조로 부터 KL까지 지원되었다.H).

Conflicts of interest

이해 상충

The authors declare no conflict of interest that could be perceived as influencing the validity of the results reported herein.

저자는 여기에 보고된 결과의 유효성에 영향을 미치는 것으로 인식될 수 있는 이해 상충을 선언하지 않다.

Acknowledgments

감사의 말

The authors thank Francis M.F. Nunes for providing RNA samples of vgRNAi bees and Zilá L. P. Simões for a gift of the honey

bee vitellogenin antibody and helpful discussions during the preparation of this manuscript. Luiz R. Aguiar helped us with the

beekeeping procedures. The authors also thank Ana Maria Bonetti and Emília V. Vaz for help with the global quantification

of DNA methylation and Douglas E. Santos for artwork (Fig. 4) preparation.

저자는 Francis M.F. vgRNAi 꿀벌과 Zilá L. P. Simões의 RNA 샘플을 제공하여 꿀벌 난황형성전구체 항체를

선물하고 이 원고를 준비하는 동안 유용한 토론을 제공한 Nunes. Luiz R. Aguiar는 양봉 과정을 도와 주었다.

저자는 또한 아트 워크 (그림 4) 준비를 위한 DNA 메틸화 및 Douglas E. Santos의 글로벌 정량화에 도움을 주신

Ana Maria Bonetti와 Emília V. Vaz에게 감사드린다.

References (62)

참조 문헌 너무 많아 생략

[하얀꽃잎새윤 ♡윤 순상♡ 청주]

내가 경험하는것은 월동기간 이군요,
월동땐 먹이 소모도 크지않치만
오래 산디는것 또한 알수 있더군요!
그런데~~~???
궁금쯩이 생기는것중
꿀벌이 연령에 따라 신체가 다른 이유이지요
사람들도 젊은사람과 노인의 차 일까요~~~?
참으로 희귀한일들이 일어나는 과정
생명의 역사를 알아내는것이 더~~~ 대단하네염
번식 수명 그리고 죽음, , , ,

[꿀벌나라]

잠 오죵? 나도 잠 옵니다. 정리해서 일기 쉽게 간략해야 되는데 잠오네여

[하얀꽃잎새윤 ♡윤 순상♡ 청주]

아뇨~~~^-*
잠 않오고요
끝까진 읽었지만
이해가 되는것과
이해가 않되는 양상을 띱니다~~~ ㅋ
그래서 그런가 더~~~똘망똘망
머리가 않돌아 가나봅니다