Генетика падальной мухи

В знаменитых экспериментах американских ученых К. Икеды и В. Каплана в начале 70-х годов с помощью метода гинандроморф-ных 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 мугантными. Таким образом, для проявления эффекта мутации принципиально важным оказывается экспрессия мутантного аллеля в нервных клетках, непосредственно проецирующихся в мышцы (рис. 8.14).

8.4.3.5. МУТАЦИИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОЛОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ.У большин-

ства видов животных собственно копуляции предшествует ритуал ухаживания, в процессе которого партнеры по очереди осуществляют видоспецифические движения (ФКД). Половое поведение дрозофилы намного примитивнее, чем у птиц и млекопитающих, коммуникационные процессы которых трудны для исследования именно из-за их сложности. У дрозофилы простота и четкость взаимодействий партнеров при спаривании видоизменяются в результате некоторых мутаций, что позволяет уточнить сложную мозаику их чередования.

Уже упоминалось о влиянии мутации yellow на фазу вибрации при ухаживании самца: она оказывается укороченной, и уровень стимуляции самки, необходимый для продолжения ритуала ухаживания,  достигается только потому, что возбудимость самок этой линии выше, чем у самок дикого типа. Нарушение нормального ритма вибрации происходит и при мутации cacophony.

Частота биений крыла, длительность отдельных "пульсов" и интервалов между ними – это признаки, по которым различаются близкие виды, обеспечивая межвидовую изоляцию. Так, например, виды-двойники – Dr.simulans и Drjacuba – различаются "рисунком" видовой "песни"-вибрации. Поскольку движения крыла при вибрации – это пример примитивного инстинктивного движения, по своим свойствам относящегося к ФКД, генетические различия подобного рода подтверждают предположение о существовании резерва генетической изменчивости, обеспечивающего варьирование частоты выполнения ФКД (см.: 8.2.5).

Генетический контроль ухаживания очевидным (а может быть, и тривиальным) образом связан с процессом половой дифференци-ровки, поскольку мутации, затрагивающие последнюю, влияют и на поведение ухаживания. Выше упоминалось о том, что после спаривания в половых путях самки образуется специальное сигнальное вещество – антиафродитный феромон г<мс-вакцинилацетат. Процесс его формирования сложный. Оказалось, что образование сигнальных веществ этой группы связано с генотипом самца, спаривание с которым было успешно завершено. В сперме самца присутствует специфический фермент из группы эстераз, конкретная изоферментная форма которого детерминируется определенным ал-лелем данного локуса.

Именно его каталитическая активность в половых путях самки продуцирует (или не продуцирует) г<ис-вакцинилацетат.

Роль поведения самки в осуществлении самцом ритуала ухаживания была проанализирована еще в 70-е годы с использованием метода гинандроморфных мозаиков (см.: 8.5.3.2). Половое поведение мозаичных по "составу" своего тела мух, у которых доли "самцо-вых" и "самочьих" тканей различались, в разных условиях варьировало. Однако для процедуры простого преобладания "самочьих" черт строения было недостаточно. Критическими в этом отношении оказались определенные участки тела, а именно спинные хитиновые щитки – тегриты, щитки у основания ног – стерниты, а также область грудного интегумента (покрова). Когда эти участки имели генотип самки, то, даже если по другим морфологическим признакам муха была похожа на самца, она вызывала у самцов четкую реакцию ухаживания. Было показано, что ухаживание, в частности фаза вибрации, запускается обонятельными ключевыми раздражителями (феромонами), источником которых и являются указанные участки тела.

Исследование полового поведения гинандроморфных мозаиков показало, что эффекты разных мутаций определяются изменениями в разных участках ЦНС мухи. Отставление крыла и ориентация самца относительно самки, нарушающиеся при некоторых мутациях, связаны с работой надглоточного ганглия. Она повреждается при мутациях fruitless и celibate, и это ведет к нарушению копуляции. Изменение видоспецифической "песни"-вибрации при мутации cacophony связано с дефектом в торакальном ганглии мухи. О сложности механизма ритуала ухаживания говорит и тот факт, что он изменяется при мутациях в локусе per, когда нарушается и цир-кадная ритмика ряда процессов (см. выше). Возможно, что физиологические механизмы, обеспечивающие ритмические осцилляции, и механизмы, координирующие последовательности действий при ухаживании, либо управляются из одного отдела ЦНС, либо связаны с функцией одной медиаторной системы (рис. 8.15).

8.4.3.6. мутации обучения и памяти у дрозофилы.

Достоверность различий в реакциях на запах с "наказанием" и на истинно нейтральный запах (получавшие удар тока мухи двигались к свету медленнее) свидетельствовала об имевшем место научении насекомых.

При мутации dnc резко сокращается время существования следа краткосрочной памяти. Через 10–15 секунд после сочетания стимулов эти мухи уже "не помнят", что получили наказание. У мутантов rut изменена не только краткосрочная память, но страдает и сам процесс обучения. Мутации tur и amnesiac (amn) также характеризуются сильно нарушенной памятью, хотя и в меньшей степени, чем dnc.

Полученные в экспериментах мутации, влияющие на процесс обучения реакции избегания удара тока и на хранение следов памяти, были в дальнейшем проанализированы с точки зрения изменений естественного поведения мух. Напомним, что в нормальных условиях самец дрозофилы делает попытку ухаживать за любыми самками, в том числе и за невосприимчивыми к ухаживаниям после оплодотворения. Последние на попытку уха живания отвечают, как уже отмечалось, специфической реакцией выделения антиафродитного феромона, что время после сеанса бучения, мин вызывает у самца длительное (1–2 ч) подавление готовности к спариванию даже с рецептивными самками. Оказалось, что самцы с мутацией dnc готовы ухаживать за любыми самками (и даже за самцами) сразу же после контакта с оплодотворенной самкой. Мухи с мутацией атп, при которой дефект памяти незначителен, "помнят" об опыте отрицательного взаимодействия несколько дольше. Мутация атп нарушает также готовность самок к спариванию (рис. 8.17).

Исследование нейрохимических коррелятов обучения и памяти у дрозофилы послужило мощным толчком к большой серии работ, посвященных роли генетического аппарата клетки в формировании следа памяти. На первых этапах такого исследования было выявлено, что данная группа мутационных изменений поведения характеризуется нарушениями в работе системы вторичных посредников, а именно в ферментной системе синтеза и деградации циклического аденозинмонофосфата, а также ферментных систем, связанных с последующим фосфорилированием белков.

Было показано, что ген dnc – это структурный ген фосфодиэсте-разы II дрозофилы. Найдена гомология между нуклеотидной последовательностью этого гена и последовательностью, кодирующей белок-предшественник гормона откладки яиц аплизии (см.: 8.3.4). Этот факт интересно сопоставить с описанной для мутантов по dnc стерильностью самок, когда образование яиц сохраняется, но самка не может их отложить.

Далее было продемонстрировано, что при мутации в локусе rut нарушено свойство аденилатциклазы активировать кальций калмо-дулина. При мутации tur ослабляется активность протеинкиназы С, а также гуанилатциклазы с одновременным снижением числа рецепторов моноаминов. При мутации атп повышается уровень цАМФ.

Участие системы вторичных посредников в формировании следа памяти обнаружено у аплизии, дрозофилы и млекопитающих (у мышей).

Общая схема влияния системы вторичных посредников на формирование памяти достаточно сложна, но очень упрощенно ее можно представить следующим образом. Внутриклеточный уровень цАМФ формируется вследствие активации аденилатциклазы под действием нейромедиатора. Циклический монофосфат, связываясь с протеин-киназой А, вызывает высвобождение каталитических субъединиц этого фермента, которые уже в ядре фосфорилируют так называемый белок CREB (cAMF response element binding protein) в положении Ser-133. CREB относится к категории регуляторных белков – транскрипционных факторов. В свою очередь он активирует ряд генов. Система активации CREB является звеном в цепи событий, участвующих в сохранении следа памяти в нервной системе апли-зии, долговременной памяти дрозофилы (Yin et al., 1994) и мыши (Bourchaladze et al., 1994; см. также: 8.6.3.3).