表觀遺傳學與昆蟲的發育（上）

圖／顧世紅提供
文╱原館訊353期

蜜蜂的等級分化

蜜蜂為一高度進化的社會性昆蟲，能為多種植物及農作物授粉，具有重要的生態意義及經濟價值，同時蜜蜂也是研究探討動物行為的可塑性及學習記憶的模式昆蟲。蜂群是構成蜜蜂群體的基本單位，一個健康完整的蜂群通常是由一隻具有正常生殖能力的蜂王、成千上萬隻工蜂和季節性出現的雄蜂所組成，牠們不是一個簡單的組合，而是高效、有序的整體。蜂王個體較大，專營產卵生殖；雄蜂較蜂王小，專司交配，交配後即死亡；工蜂個體較小，是生殖器官發育不全的雌蜂，專司築巢、採集食料、哺育幼蟲、清理巢室和調節巢室之溫濕度等。蜂王和工蜂擁有相同的遺傳物質，但由於後天（幼蟲期）環境（食物等）的差異，雌性幼蟲逐漸向蜂王和工蜂兩個完全不同的級型方向發育。

蜜蜂為完全變態類昆蟲，所有個體都經過從卵至幼蟲、蛹及成蟲的 4 個階段。蜜蜂的卵有受精卵和不受精卵 2 種，受精過程在接近產卵時才完成，沒有精子參與的不受精卵將來發育成雄蜂，而受精卵則成為雌蜂。各種卵由蜂王產在特定的蜂房內，孵化成幼蟲後，所需營養由哺育蜂（工蜂的一種）飼餵提供，將來會發育為蜂王的幼蟲，牠們的卵被產在較大的蜂房裡，在整個幼蟲期持續得到由哺育蜂咽頭腺和上顎腺所分泌的蜂王漿；而將來會發育為工蜂的幼蟲僅在孵化後前 3 日得到蜂王漿， 3 天後開始「斷奶」，之後只是獲得花粉、蜂蜜及營養成份較差的其他物質。

幼蟲食物影響蜜蜂的等級分化

蜂王漿中的何種成分促使幼蟲變身蜂王？一直是個謎。日本學者的研究發現，蜂王漿中的一種稱為王漿蛋白 (royalactin) 的蛋白質是蜜蜂幼蟲變身蜂王的秘密所在。這種蛋白質能活化生長因子的受體，激活受體下游的一系列激酶，使蜜蜂卵巢發育，體型增大，激素分泌增加，從而使蜜蜂幼蟲發育成蜂王。用這種蛋白質餵養果蠅幼蟲，也同樣出現體型較長、產卵數多和延長其壽命等特徵，這些特徵與誘發蜂王發育過程十分類似，說明了這一種蛋白質對生物特徵的影響是跨物種的。另外，哺育蜂上顎腺所分泌的一種稱為 10- 羥基 – 癸烯酸的化合物也會影響到蜂王的組織器官發育及相關基因的表達。

表觀遺傳學

基因密碼是打造你我樣貌的藍圖，但飲食、生活方式和環境可能會在 DNA 及其相關物質上加以修飾而影響我們，甚至後代的基因表現。現代生物學的研究顯示，基因的表達及調控除了受核苷酸序列影響外，飲食、環境及其他因素也會透過表觀遺傳在 DNA、組蛋白及染色體上的修飾而影響基因的表達，常見的表觀遺傳學現象有 DNA 甲基化、組蛋白的化學修飾及非編碼 RNA 調控等。DNA 甲基化為化學修飾 DNA 的一種形式，能在不改變 DNA 序列的前提下，影響基因的表達，DNA 甲基化過程會使甲基添加到 DNA 分子上，使某些基因靜默 (Gene silencing)，進而使其失去功能。在真核生物細胞核中，DNA 纏繞在組蛋白上，包裝形成染色質結構，而染色質包裝的緊密程度決定了基因表達的活性，染色質可透過組蛋白的化學修飾（如乙醯化、甲基化等）來調控基因的表達。非編碼 RNA 因無法像我們熟知的編碼 RNA（Coding RNA，如 mRNA）那樣可以轉譯出細胞所需的蛋白質，之前被科學家認為是無用的序列，但近幾年來的研究表明，真核生物細胞中普遍存在大量非編碼 RNA ，這些非編碼 RNA 包括了小分子核糖核酸（miRNA，約 21 到 23 個核苷酸）等，這些非編碼 RNA 不僅可以參與基因靜默化、X 染色體失活及抑制轉錄活性等，更通過複雜的調控機制間接調控 DNA 甲基化及組蛋白修飾。

蜜蜂的等級分化與表觀遺傳學

2006 年科學家已完成蜜蜂基因組之測序工作，研究顯示，蜜蜂具有和哺乳動物類似的全功能DNA甲基化系統，比較蜂王與工蜂幼蟲 DNA 甲基化後，發現蜂王幼蟲基因甲基化水平顯著低於工蜂，在幼蟲早期人為地使蜜蜂的某些與 DNA 甲基化相關的基因（如 Dnmt3）失去活性，可以人工誘發蜂王個體的產生。人為控制幼蟲取食蜂王漿的時間，發現取食蜂王漿的時間愈長，基因甲基化水平顯著降低，而蜂王的個體逐步增大。另外，如前面所述，蜂王漿在幼蟲期的持續攝取為使蜜蜂幼蟲發育成蜂王的主要因素，其主要成份王漿蛋白及 10- 羥基 – 癸烯酸也會透過表觀遺傳來影響卵巢發育、體型及激素分泌等，從蜂王漿也檢測到多種非編碼 RNA (miRNA)，這些 miRNA 的攝取也會影響到幼蟲的組織器官發育及相關基因的表達，從而使蜜蜂幼蟲發育成蜂王。