Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 20ver7

Глава 20. Генетика поведения

Хорошо известно, что гены всех живых организмов кодируют информацию о синтезе белковых молекул, из которых создаются все компонентыклетокикоторыекатализируютвсе биохимическиепроцессы.Фактическикаждую биохимическую функцию или элемент морфологиителаудрозофилыудалосьсвязать сдействиемтогоилииногогена.

Другое дело - поведенческие и психические функции, такие как мотивация поступков, приверженность привычкам, расположенность к определенной сфере деятельности или психическим болезням, способностькобучению,половоеповедение.

В последнее время больших успехов достиглиисследователи,работающиевобласти генетикиповедениядрозофилы.

20.1. Генетика поведения дрозофилы

Удрозофилылучшевсегоизученыгены, контролирующиетакиепростыефункциикак зрение, обоняние, брачное поведение, способностькобучению.

20.1.1. Гены зрительной системы

К настоящему времени у дрозофилы описанонесколькогенов,влияющихназрение.

Ген sevenless (sev): мутанты по гену не обнаруживают нормального фототаксиса на ультрафиолетовыйсвет.

Генoptomotor-blind(omb):гомозиготыпо мутациям этого гена не реагируют на вращающиесявертикальныеполосы,особенно сильно во время ходьбы; в полете действие мутаций проявляется слабее. У мутантов отсутствует гигантский тяж нейронов в оптическойдолевизуальнойсистемыголовного мозга.Удругихдвукрылыхнасекомых,более крупных,чемдрозофилы,этитяжинеобходимы дляобнаруженияпередвигающихсяпредметов. Молекулярныеразмерыгенаombвелики-около 100 тысяч пар нуклеотидов. С этого гена считываетсяоколо20видовразличныхмолекул мРНК.

Ген small-optic-lobes (sol). У мутантных куколок дегенерирует около 50% клеток в оптическойдолеголовногомозга.Врезультате нарушается система ориентировки и правильность поведения во время посадки после полета. Ген sol клонирован, он располагаетсявучасткеДНКразмером14т.п.н. Снегосчитываетсядватранскриптадлиной5.8 и5.2т.п.н.Большийтранскрипткодируетбелок, состоящий из 1597 аминокислот. Этот белок имеет способность связываться с ДНК, т.е. может блокировать активность других, регулируемыхимгенов.

20.1.2. Функция обоняния

Дрозофилы могут различать большое числоразличныхзапахов,какналичиночной,так инаимагинальнойстадиях.

Экспериментыпохирургиипоказали,что запахи улавливаются особыми чувствительнымиорганами,расположеннымина антенне. В этом органе есть поры, куда могут проникать запахи. От антенн идут нейроны к головномумозгу.Нейроновоченьмного,около 1000,поэтомунеудивительно,чтомухатаклегко различаетмногочисленныезапахи.

Обнаружено шесть генов, контролирующихчувствительностькзапахам альдегидовиэфиров:olfA,olfB,olfC,olfD,olfE, sbl.

20.1.3. Гены, контролирующие способность к обучению

Взрослые мухи дрозофилы обладают способностьюсвязыватьощущениязапаховс болевымиощущениямиотэлектрическоготока, т.е. у них можно вызывать формирование условного рефлекса. К настоящему времени открыты как минимум 2 гена, влияющих на эффективностьобучения.Этогеныdunce(dnc) и rutabaga (rut).

dunce - мутанты по гену не способны обучаться,“тупицы”.Генэтотимеетогромные размеры(см.Рис.7.65).Генdncфункционирует вклеткахопределеннойдолиголовногомозга (ганглия) мух - в грибовидном теле. Если у древесныхмуравьевхирургическиразрушить это тело, у них нарушаются основы их

“социального” поведения. Эти данные свидетельствуют о роли грибовидного тела в осуществлении поведенческих реакций. Интересно,чтоумолодыхмухвгрибовидном телебыстровозрастаетчислоновыхнейронов, чтосвязываютснакоплениемопытавпроцессе обучения.

rutabaga - ген кодирует белок кальций/ кальмодулин-зависимую аденилат циклазу. Этот ген экпрессируется в головном мозге имаго и вовлечен в процессы запоминания и памяти.Некоторыемутациивлияютнаразвитие грибовидного тела мозга, мутанты обнаруживают трудности в обучении. Последовательности нуклеотидов, гомологичные rutabaga, были найдены в геномах C. elegans,мыши,коровыичеловека. Таким образом, по крайней мере, некоторые этапыобученияунасекомыхимлекопитающих имеютобщиечерты.

20.1.4. Брачное поведение

Послепроведенияпервыхисследований

â1956 году, к настоящему времени брачное поведениемухописанововсехдеталях.Исамцу, и самке присущи довольно сложные наборы движений, т.н. брачные танцы. Во время них инициатива принадлежит самцу, он трогает брюшкосамки,бегаетвокругнее,преследует, касается хоботком ее гениталий, делает попытки копуляции, притягивая ее брюшко к себе лапками. При этом он исполняет “песню любви”. Эта песня представляет собой вибрациюкрыльевпродолжительностьюв55 сек и состоящую из импульсов в 20-30 миллисекундимежимпульсовымпромежутком

â30-40 мсек с частотой 160 гц (Рис. 20.1). Очевидно,чтовесьпроцессухаживания

довольносложен,илюбыемутации,влияющие на остроту зрения, обоняния, слуха, на способность выдерживать генетически закрепленнуюпериодичность“песнилюбви”, приводяткнарушениюпроцессаухаживанияи его эффективности, заключающейся в скрещивании. Так, слепой самец не может увидетьсамку,всвоюочередь,“глухая”самка не может услышать “песню любви”, исполняемуюсамцом.Особи обоих полов,не

различающиезапахи,все-такимогутвступитьв копуляцию, но у них на это уходит больше времени.Этинарушенияполовогоповедения ожидаемы. Однако, есть и более тонкие механизмы.Известнымутации,покрайнеймере, трех типов, влияющих на исполнение “песни любви”.Врезультатемутации“cacophony”резко увеличиваетсяамплитудаколебанийвовремя импульса,мутация“dissonans”изменяетпесню таким образом, что вместо правильного чередования импульсов и межимпульсовых промежутков наблюдается один мощный продолжительныйимпульс (Рис. 20.1).

Мутации гена clock (часы) изменяют продолжительность одного цикла “песни любви”. Вместо общей продолжительности одногоциклапеснив55секнекоторыемутации уменьшают ее до 40 сек, другие мутации увеличивают до 80 сек. Изменение акустическойструктуры“песнилюбви”резко изменяетиэффективностьухаживаниясамцаза самкой.

Рисунок 20.1

à

á

â

ã

Положение самца и самки во время ухаживания и акустическая картина песни у особей дикого типа (а), у мутантов dissonance (б, в) и cacophony (г) (Из: Kyriacou, Hall, 1994, p. 153).

Известны мутации, влияющие и на весь процесс ухаживания и последующего спаривания. Мутанты по гену hni (he is not interested) не обнаруживают признаков ухаживания. Мутанты plt (platonic) демонстрируют нормальные этапы ухаживанияиисполняютнормальнуюпесню любви,нонекопулируют.

Генfru - fruitless (бесплодный).Мутации этого гена полностью изменяют половое поведение самцов - возникает сразу три нарушения: 1) они не делают попыток ухаживать за самками, 2) ухаживают только засамцами-такимижегомозиготамипоэтой мутацииизадикимисамцами,3)стимулируют нормальныхсамцовухаживатьзасобой(Рис. 20.2).

Естественно, эти самцы потомства не оставляют, это мухи-гомосексуалисты. Мутанты fru выделяют специфическое вещество с соответствующим запахом, привлекающимдругихсамцов.Экстрактыиз самцов fru стимулируют ухаживание самцов за самцами. Это предполагает, что летучий компонентизсамцов fru является“sex-appeal” для других самцов. Ген fru активен в небольшой антеннальной доле головного мозга, которая получает информацию о запахах(“грибовидноетело”).Первыеданные свидетельствуют о наличии небольшой доли мозга, оценивающей информацию о запахах,

в которой происходит выбор, по какому пути пойдетполовоеповедение:потипусамцаили самки.Иэтотвыборконтролируетсягеномfru.

Мутация fru связана с небольшой инверсией в третьей хромосоме. Стерильность самцов, связанная с брачным поведением, ассоциируется с районом политенной хромосомы 91АВ. Однако, способность заставлять диких самцов ухаживать за самцами fru, картируется у другойточкиразрываэтойинверсии.

Ген Les (Lesbian). Мутантные самки ухаживают за другими самками, демонстрируя поведение, характерное для самцов, в частности изменения положения крыльев (см. рис. 20.1).

Ген Voila (a la voile et a la vapeur - с французского слэнга - бисексуальное поведение). Мутантные самцы обнаруживают бисексуальное поведение, т.е. ухаживаютзавиргиннымисамкамиизрелыми самцами.

20.1.5. Гены, влияющие на биоритмы

Циркадные ритмы (от латинского circadies - круглосуточный) контролируют развитиебольшинствабиологическихсистем и варьируют от суточных колебаний фотосинтеза у растений до контролируемой секреции гормонов и годовой цикличности

размножения млекопитающих. Циркадные ритмы описаны почти у всех эукариот, включаявысшиерастения,грибы,насекомые и млекопитающие.

Первый ген, контролирующий периодичность физиологических процессов, был описан у дрозофилы – period (per) в 1971 году.

Биоритмикаумухобнаруженаприоткладке яиц,вылупленииэмбрионовиимагоизкуколок. Биоритмичнатакжебрачная“песня”усамцов. Выделенытригруппымутаций:perS-укорачивают биоциклс24часдо19час,мутациигруппыperL - удлиняют до 29 час и per01 - полностью нарушаютритмикубиологическихпроцессов. Установлено, что этот ген функционирует в клетках головного мозга, он кодирует белок, содержащийоколо1200аминокислот.Умутанта per01 обнаружен стоп-кодон после 460 аминокислот, в результате чего синтезируется усеченный нефункциональный белок, и биоритмикаполностьюнарушается.Всередине нормальнойбелковоймолекулынаходится 20кратный повтор пары аминокислот ТреонинГлицин.Именноэтотповторвлияетнадлинупесни “любви”. Если этот повтор экспериментально удалить, длина песни укорачивается с 55 до 40 секунд.

БелокимРНКгенаperнаходятвбольшом числетканей,включаянервнуюсистему,желудок, Мальпигиевысосуды,репродуктивнуюсистему, кольцевуюжелезуислюнныежелезы.Внервных клетках у взрослых мух белок PER находят в фоторецепторах глаз, в оптических долях, центральноммозговомкомплексе,торакальном ганглии,атакжевглиальныхклеткахцентральной нервнойсистемы.

В пределах клеток белок PER находят преимущественно в ядрах. Анализ аминокислотных последовательностей этого белка показал сходство их с доменами в ДНК- связывающихсябелкахпотипуспираль-петля- спираль.

Белок PER образует комплекс с другим белком циркадного ритма – продуктом гена timeless (tim) .Полагают, что этот комплекс регулирует экспрессию кодирующих их генов посредством системы обратной связи:

синтезируется белок PER, затем он фосфорилируется,иотсутствиенормального белкаPERиндуцируеттранскрипциюгенаper. Синтез как РНК так и белка осуществляется с 24 часовой цикличностью. В 1998 году открыт еще один ген, влияющий на циркадные ритмы – double-time (dbt). Он, повидимому, контролирует степень стабильности белков типа PER.

Гены, контролирующие циркадные ритмы, выделены у ряда других организмов: гены frequency и white collar 2 у Neurospora crassa, два гена у млекопитающих.

Во всех изученных случаях часовой механизм включает молекулярную систему обратной связи.

Литература к разделу 20.1.

дрозофилы и человека. Соросовский образовательный журнал : 22-25, 1997.

BarinagaM.Bisexualfruitfliespointtobraincourtship centers. Science $%: 791-792, 1995.

Hall J.C. The mating of a fly. Science $": 1702-1714, 1994.

HallJ.C.Pleiotropyofbehavioralgenes.In:Flexibility and Constraint in Behavioral Systems (Greenspan, R.J., Kyriacou, C.P., eds.) John Wiley and Sons Ltd., 15-27, 1994.

HallJ.C.,KyriacouC.P.Geneticsofbiologicalrhythms in Drosophila. Adv. Insect Physiol. : 221298, 1990.

Kloss B. et. al., The Drosophila clock gene doubletime encodes a protein closely related to human casein kinase I-. Cell '": 97-107, 1998.

KyriacouC.P.,HallJ.C.Geneticandmolecularanalysis of Drosophila behavior. Adv. Genet. ! : 139186, 1994.

Sassone-Corsi P. Same clock, different work. Nature !&": 613-614, 1996.

20.2. Генетический контроль некоторых аспектов поведения у мышей и крыс

Поиски связей между различными аспектами поведения млекопитающих и человека и конкретными генами или хромосомами ведутся весьма интенсивно. Однако, исследователи генетического