Влияние генов на поведение мушки-дрозофилы

Характерной чертой поведения насекомых (в том числе мух рода Drosophila) является преобладание в нем видоспецифических фиксированных комплексов действии. Однако наряду с ними в поведенческом репертуаре плодовой мушки имеются как более простые (таксисы), так и более сложные (реакции, приобретенные при обучении) феномены. Наиболее подробно изучено поведение Drosophila melanogaster.

Биологические ритмы. Характерный для дрозофилы ритм суточной активности обнаруживается не столько в уровне локомоции, сколько в частоте вылупления взрослых особей из куколок. Такие изменения в физиологических функциях очевидным образом модулируются чередованием света и темноты, однако, как это показано и для других животных, существуют также и внутренние механизмы поддержания околосуточных колебаний.

Фото-, гео- и другие таксисы. Это наиболее четкие, относительно примитивные реакции, выражающиеся в виде упорного перемещения насекомых в градиенте интенсивности света, концентрации химического вещества, геомагнитного поля и др. На стремлении мух перемещаться к свету (фототаксис) базируются методики исследования способности дрозофилы обучаться избегать неприятного запаха при его сочетании с ударом электрического тока.

Пищевое поведение. В ответ на вкусовое раздражение у мухи вытягивается хоботок. Эта безусловная реакция легла в основу выработки пищевого условного рефлекса у падальной мухи. Проведение таких исследований у плодовой мушки затруднено в связи с ее малыми размерами, однако известно, например, что эта реакция сильно различается у самцов и самок. Более плодотворны проводимые на дрозофиле исследования генетического контроля пищевого предпочтения. Эту особенность поведения изучают как на личинках (поиск пищи), так и на взрослых особях в связи с выбором самкой пищевого объекта для откладки яиц.

Реакцна обонятельные раздражители. Особый аспект пищевого поведения мух представляет собой их положительная реакция на обонятельные сигналы — пищевые аттрактанты. Подобные реакции осуществляются по механизмам таксисов, однако конкретных данных об их физиологических механизмах немного. Эти таксисы достаточно часто используются в экспериментах по генетике поведения, для которых такая информация необходима. В частности, положительная реакция на пищевой аттрактант не обязательно бывает связана с высоким уровнем локомоторной активности.

Оборонительное поведение. Обонятельные сигналы могут вызывать и реакции избегания. К их числу относится бензальдегид, широко используемый в экспериментах с обучением дрозофилы. В качестве отрицательного воздействия, на основе которого можно сформировать условную реакцию избегания, используется раздражение электрическим током. Физиологические корреляты такого воздействия изучены мало.

Половое поведение. У двукрылых, и в частности у дрозофилы, этот вид поведения организован достаточно сложно. Собственно спариванию предшествует более или менее интенсивно выраженное поведение ухаживания, функция которого — активация обоих партнеров (см.: рис. 8.1). Процесс ухаживания включает в себя несколько стадий. Первая из них — это стадия ориентации, когда самец занимает перед самкой положение, перпендикулярное продольной оси ее тела. Во время второй стадии он осуществляет вибрацию крылом, повернутым в горизонтальной плоскости на 90o. Эта фаза очень вариабельна по длительности (она укорочена при мутации yellow) и по "рисунку" отдельных пачек сигналов, а также интервалов между ними. Затем следуют стадии облизывания гениталий и собственно садки.

После копуляции у самки развивается временная половая невосприимчивость, а в ее организме образуется химическое вещество, вызывающее у самцов реакцию избегания. Это специфическое вещество цис-вакцинилацетат называется антиафродитным феромоном. Генетические исследования полового поведения некоторых мутантов показали, что самец, который сделал неудачную попытку ухаживания за невосприимчивой самкой, в дальнейшем, в течение примерно 2 ч воздерживается от ухаживания даже за рецептивными самками. Иными словами, мухи обнаруживают способность к торможению поведенческой реакции вследствие неприятного раздражения, т.е. они обучаются после единственного сочетания условного (вид самки) и безусловного (антиафродитный феромон) сигналов.

Обучение. Способность дрозофилы к обучению реакции избегания электрического тока исследуется в специальных установках с помощью методики "обратного потока". Этот метод позволяет быстро тестировать большое число особей, что особенно важно при поиске мутантов с измененным поведением.

Очевидное адаптивное значение в жизни дрозофилы в естественных условиях имеет недавно описанная способность этих насекомых обучаться подавлению локомоторной активности. В экспериментах, проведенных в Институте физиологии им.Павлова РАН Н.Г. Камышевым с соавт. (1994), четко продемонстрировано, что исходный уровень локомоторной активности мухи достоверно снижается, когда ее подсаживают к группе из 10 других мух, причем, это снижение нельзя объяснить ни реакцией на какие-либо вещества, ни безусловнорефлекторным торможением активности, ни привыканием.

Снижение двигательной активности мух выражается, в частности, в укорочении длительности отдельных "пробежек" и снижении числа контактов особей между собой. Оно имеет условнорефлекторную природу и является результатом формирования инструментального навыка подавления активности в результате отрицательного опыта: при контактах мухи обмениваются "ударами" конечностей, что играет роль наказания. В естественных условиях, при скоплении дрозофил на источнике пищи — гниющих фруктах — способность к подобному обучению, видимо, обеспечивает оптимальное использование пищевых ресурсов, а это, несомненно, способствует выживанию.

Мутации отдельных генов дрозофилы

Первоначальное накопление информации по генетике поведения дрозофилы происходило при исследовании плейотропных эффектов отдельных мутаций, влияющих на цвет глаз и тела. Выше уже упоминалось о плейотропном эффекте мутации yellow, когда у самцов достоверно снижается способность к ухаживанию: у них сильно укорочена во времени фаза "вибрации". Эти особи проигрывают в ситуации конкуренции с самцами других генотипов, однако в целом линии с мутацией yellow размножаются в нормальном темпе за счет увеличенной половой активности самок.

Ген ebony, который изменяет цвет хитиновых покровов мухи, также оказывает плейотропный эффект на ее поведение. Эта мутация сопровождается изменением содержания дофамина в мозге и изменением двигательной активности мух, что в свою очередь сказывается на уровне половой активности обоих партнеров.

При мутации black в организме дрозофилы не синтезируется бета-аланин, хотя его усвоение возможно. Введение бета-аланина только что вылупившимся мухам предотвращает плейотропные эффекты этой мутации. Такие особи фенотипически нормальны.

Генетическое исследование разных форм двигательной активности дрозофилы

Для анализа общебиологических закономерностей контроля жизнедеятельности не только насекомых, но и других групп животных представляют интерес генетические изменения суточного ритма. Исследуются, например, мутации дрозофилы, изменяющие длительность циркадного (суточного) ритма уровня двигательной активности мух и ритма массового вылупления взрослой формы из куколки. При мутации в локусе arythmic суточные колебания активности отсутствуют; мутации в локусе period, либо укорачивают цикл активности (short period) до примерно 19 ч, либо удлиняют его (long period) до примерно 28 ч. При мутации per 0 суточный ритм практически отсутствует.

У разных видов дрозофилы описано около 10 мутаций, влияющих на суточный ритм. Они обнаруживаются как в их воздействии на суточные колебания локомоторной активности, так и в модуляции периода массового вылета взрослых особей из куколок. Ритмичность физиологических процессов, влияющих на локомоцию и приуроченность вылупления к определенной фазе циркадного ритма, обусловлена согласованием световосприятия с работой эндогенного водителя ритма (пейсмейкера).

Это было показано при исследовании аутосомной рецессивной мутации linne, когда ритмичность вылупления при определенных условиях поддерживается, однако смена света и темноты не может запускать ритм.

Геотаксис. Первые систематические и подробные эксперименты по генетическому контролю геотаксиса у Dr. melanogaster провел в 60-е годы Дж.Хирш (см.: Эрман и Парсонс, 1984). Геотаксис, т.е. перемещение мух, ориентированное относительно силы тяжести, оценивали с помощью специально сконструированных лабиринтов (рис. 8.10).

Использовали вертикально расположенный лабиринт, представляющий собой систему соединенных друг с другом модулей, в каждом из которых муха может выбрать между поворотом в одну сторону, который ведет ее вверх, и поворотом в другую, при котором она спускается вниз. Обычно использовали 10- или 15-модульный лабиринт. Группу мух помещали в единственную пробирку, расположенную на стартовой стороне лабиринта, и давали им возможность перемещаться в направлении другой стороны лабиринта. Привлекательными стимулами были либо запах пищи, либо свет (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Лабиринт для изучения геотаксиса у плодовой мушки.

Данная конструкция располагается вертикально, и муха, запущенная на "старте" до того, как она доберется до "финиша", должна преодолеть некоторое число разветвлений лабиринта, в каждом из которых она может повернуть вверх (против силы тяжести) или вниз (в направлении силы тяжести). На финише мух собирают из ряда пробирок, причем в самой верхней оказываются насекомые с наиболее выраженным отрицательным геотаксисом, в нижней — с максимально развитым отрицательным фототаксисом Отдельно показано устройство звена-разветвления: сужение перед поворотом не позволяет мухе вернуться назад

Поскольку на финишной стороне лабиринта находится не одна, а 10 или 15 пробирок, расположенных на разной высоте по отношению к стартовой, то происходит сортировка мух по уровню проявления их геотаксиса. Такая методика позволяет провести отбор на положительный и отрицательный геотаксис у дрозофилы (рис. 8.11), причем селекция происходит очень быстро. В дальнейшем было проведено аналитическое исследование роли "вклада" генов каждой из хромосом дрозофилы (за исключением 4-й) в обеспечение отрицательного и положительного геотаксиса. Это оказалось возможным благодаря использованию специальных линий, которые несли доминантные маркеры, а также инверсии, препятствовавшие кроссинговеру определенных хромосом. Была получена количественная характеристика линий дрозофилы, селектированных на разные уровни геотаксиса, и определена степень участия разных хромосом в детерминации этого признака.

Рис.8.11. Уровень геотаксиса у трех линий дрозофилы — контрольной (неселектированной) линии и линий, селектированных соответственно на отрицательный и положительный геотаксис. По оси ординат — доля животных (в процентax), обнаруживших тот или иной индекс геотаксиса

Поведение мух, селектированных на отрицательный геотаксис в течение 181 поколения, имело целый ряд особенностей, привнесенных процедурой тестирования в лабиринте. Оказалось, что параллельно с отбором на крайние значения геотаксиса эти мухи подвергались неосознанному отбору: на устойчивость к высыханию и способность переносить длительные периоды голодания, поскольку перемещение некоторых мух занимало до нескольких часов и многие из них погибали; на сниженный уровень двигательной активности, поскольку более активные насекомые имели тенденцию к гибели; на усиление стереотипии в поведенческих реакциях, поскольку мухи, обладающие крайними значениями геотаксиса, имели тенденцию делать повороты в одну и ту же сторону, в том числе и в лабиринте, который был расположен горизонтально; на сниженный уровень "клаустрофобии", поскольку мухам приходилось преодолевать суженные участки пробирок при переходе из одного блока лабиринта в другой и некоторые насекомые не справлялись с этим.

Результаты экспериментов показывали сложность поведения дророфилы и возможность формирования иных, чем предполагалось изначально, ответов на отбор. Подобное явление относится к так называемым коррелированным ответам, достаточно подробно изученным также в экспериментах по генетике поведения грызунов.

Фототаксис. Следующий этап в накоплении информации о генетических основах поведения дрозофилы связан с именем американского ученого С.Бензера (1975), в работах которого был использован целый комплекс экспериментальных подходов.

В частности, был активизирован поиск неврологических мутантов, и с этой целью были разработаны специальные приемы массового тестирования мух.

Отбор потенциальных носителей аномалий проводили с помощью метода обратного потока (рис. 8.12). По выражению Бензера, этот способ позволял сортировать мух, как молекулы. Сущность его заключалась в следующем. Разделяли мух, которые двигались внутри трубки в направлении источника света, и тех, которые оставались на месте. Процедура повторялась несколько раз. В результате была получена серия групп насекомых, у которых выраженность исследуемого признака варьировала от минимального до максимального значения.

Рис. 8.12. Прибор для "сортировки" мух методом обратного потока. Аппарат состоит из двух групп пробирок, укрепленных в двух штативах, которые можно сдвигать относительно друг друга. Мух помещают в пробирку 0, после этого аппарат ставят вертикально и легким постукиванием сбрасывают их на дно пробирки. После этого всю систему кладут плашмя, так чтобы верхние концы пробирок были обращены к свету (а). Мухи, обладающие фототаксисом, движутся к свету, а другие остаются в темном конце (б). Через 15 с обращенный к свету (на рисунке — верхний) ряд пробирок сдвигают вправо (в) и снова стряхивают мух вниз (г). При этом мухи, реагировавшие на свет, попадают в пробирку 1. "Верхний" ряд пробирок сдвигают влево (д) и после перемещения системы в горизонтальное положение дают возможность мухам, проявившим фототаксис, снова бежать к свету. Процедуру повторяют 5 раз. В результате наиболее активные мухи оказываются в пробирке 5, несколько менее реактивные — в пробирке 4 и т.д. (е)

На следующем этапе из числа мух с положительным фототаксисом следовало отделить более активных особей от тех, которые энергичнее шли именно на свет. Мух с отрицательным фототаксисом также разделяли на малоактивных и на тех, которые избегали света. С этой целью мухам предлагалось двигаться в трубке от источника света. В результате можно было получить 5 групп насекомых, 4 из которых попарно различались либо по знаку фототаксиса, либо по уровню активности, у 5-й группы фототаксис отсутствовал (они не реагировали на свет) и были малоактивными (рис. 8,13). Полученные группы насекомых, достоверно различавшиеся по поведению, можно было исследовать нейрофизиологически. Запись электрических потенциалов глаза показала, что у части особей электроретинограмма отсутствовала. В ряде случаев у молодых мух электрическая реакция глаза на свет была нормальной, но затем происходила дегенерация фоторецепторов.

Рис. 8.13. Схематическое расположение пяти групп мух, отсортированных методом обратного потока (см. рис. 8.12) по разному уровню активности и разному уровню (и знаку) фототаксиса. 1 — мухи с отрицательным фототаксисом; 2 — медлительные мухи; 3 — мухи без фототаксиса и с невысокой активностью; 4 — "бегуны"; 5 — мухи с нормальным положительным фототаксисом

Особенности формирования аномального фенотипа у мутантов с нарушенным зрением были исследованы в экспериментах с гинандроморфными мозаиками (см.: 8.5.3.2). Первой в этом ряду была классическая работа А.Хотта и С.Бензера, кратко изложенная выше.

Проявление признака — аномальные зрительные реакции — исследовали у особей, часть клеток которых не имела Х-хромосомы. В таких клетках (они развились по "самцовому" типу) обнаруживался эффект упомянутых выше рецессивных генов, влиявших на фенотип.

Судорожные состояния. Еще одна группа аномалий с мутациями в Х-хромосоме была обнаружена случайно при наркотизации мух в ходе очередной серии опытов. Оказалось, что у этих особей при действии эфирного наркоза развиваются быстрые подрагивания конечностей или вспышки некоординированных движений, которые распространяются среди группы мух наподобие цепной реакции. Наиболее полно описаны мутации shaker (sh) и hyperkinetic (hk), в частности выявлены аллели гена hk, при которых мухи резко подпрыгивают и падают на спину при внезапном появлении в поле зрения движущегося предмета.

В знаменитых экспериментах американских ученых К.Икеды и В.Каплана в начале 70-х годов с помощью метода гинандроморфных мозаиков был прослежен путь проявления таких аномалий. Анализ физиологических процессов у особей, ткани которых представляли собой "мозаику" из участков нормального и мутантного генотипов, показал, что подергивание лапок при эфирном наркозе наблюдается не у всех мух. Мотонейроны, отвечающие за движения конечностей, располагаются в торакальном ганглии. Если ткань этого ганглия оказывается полностью или частично мутантной, то движения всех или части конечностей аномальны. Если же ткань торакального ганглия не несла мутантного аллеля, то аномальных подергиваний конечностей не было, даже если выше расположенные участки ЦНС (надглоточный ганглий) были мутантными. Таким образом, для проявления эффекта мутации принципиально важным оказывается экспрессия мутантного аллеля в нервных клетках, непосредственно проецирующихся в мышцы (рис. 8.14).

Рис. 8.14. Типы мозаичности фенотипа у гинандроморфных особей D.melanogaster по мутации hyperkinetic.

Ткани самца светлые, ткани самки темные, s — дрожащие лапки, в области их проекции в грудном ганглии обнаружены аномальные разряды, а — половина тела мухи нормальная, другая половина мутантная; б, в — мутантные ткани почти всего тела мутации сисирпопу.