Генетические исследования поведения млекопитающих

Лекция 4. Генетические исследования поведения млекопитающих. Часть 1. 1. Исследования генетики поведения крыс и мышей 1.1. Влияние генотипа на поведение Основные результаты по исследованию поведения в генетике млекопитающих получены на грызунах. Первые эксперименты были проведены на крысах и в середине 20-х годов было создано 2 линии, которые четко различались способностью к обучению. Создание селектированных линий, различающихся по каким-то контрастным параметрам поведения, представляет собой первый этап работы. Таким образом были получены линии мышей и крыс, различающихся по уровню исследовательской активности, эмоциональной реактивности, реакции активного избегания, ориентировочному поведению, реакции на фармакологические препараты. Исследования реакции на лекарства или химические агенты делятся на несколько направлений: - оценка генетической изменчивости в продукции того или иного метаболита, участвующего в осуществлении какой-то реакции; - определение изменчивости числа и строения молекул-рецепторов; - исследования генетических особенностей эффекторной реакции. Генетические исследования разных видов агрессии (агрессия хищника, конфликты между самцами, материнская агрессия, агрессивное поведение в ситуации, вызывающей страх) показало, что у мышей доминирует высокий уровень агрессии хищника, который контролируется полигенно с двумя главными генами. Изменчивость агрессивного поведения самцов связана также с группой генов, расположенных в У-хромосоме. В экспериментах Д.К. Беляева на крысах было показано, что такой специфический тип поведенческих реакций как агрессивность по отношению к человеку не связана с признаком «агрессивность хищника». Это говорит о разных генетических механизмах наследования данных признаков. Однако на поведение агрессивных и неагрессивных животных могут оказывать большое влияние факторы внешней среды: опыт предыдущих конфликтов, воздействия на животных в ходе онтогенеза, или изменение гормонального фона особи. Уровни секреции гормонов, в частности тестостерона, также находятся под контролем генотипа. Современные исследования показали, что выполнение поведенческих актов животным, может приводить к изменениям в нервной системе на тканевом и клеточном уровнях, а также, к изменению экспрессии генов. Материнское поведение стимулируется гормоном пролактином, который вызывает появление новых нейронов во время беременности. Считается, что увеличение клеток мозга помогает матери научиться лучше выделять своё потомство среди остальных молодых крыс, так как при этом усиливается распознавание запахов. Тот факт, что у заботливой крысы-матери, дочери вырастают такими же заботливыми матерями определяется эпигенетическим механизмом: частые контакты с матерью приводят к метилированию промоторов определенных генов в мозге крысят, в частности генов, кодирующих рецепторы, от которых зависит реакция нейронов на некоторые гормоны (половой гормон эстроген и гормоны стресса). 1. 2. Способность к обучению Это наиболее трудная, но и наиболее увлекательная область генетики поведения. Исследования по селекции крыс (трайоновские линии) на способность к обучению показали, что отбор на разную степень успеха обучения в лабиринте способствовал формированию генотипов, при которых восприятие, параметры пространственной памяти, мотивация и другие фенотипические признаки оказались в одном случай оптимальны, а в другом – субоптимальны для выполнения данной реакции. Для изучения роли генотипа в процессе обучения в настоящее время широко используются трансгенные мыши, т.е. мыши в геном которых введен новый для вида или видоизмененный ген вида-хозяина. В последнем случае, часто производится "выключение" какого-либо гена из процесса развития (нокаутирование гена). Исследования трансгенных мышей показали, что долговременная память связана с изменениями в структуре синаптических белков. Эти изменения осуществляются в результате целого каскада событий, одним из которых является активация гена, кодирующего белок CREB. Для выяснения его роли в формировании памяти были получены мыши, у которых отсутствовал ген, кодирующий белок CREB. Краткосрочная память у таких мышей развивалась нормально, а долговременная и запоминание навыка у мышей с отсутствием гена, кодирующего белок CREB, были сильно нарушены. Доказано, что экспрессия транскрипционного фактора CREB, активирует другие гены, прямо связанные с работой синапсов, формированием памяти и успешностью обучения. Обнаружена также связь формирования памяти и обучения с искусственной мутацией гена калмодулин-зависимой протеинкиназы II. 1.3. Неврологические мутации у мышей Эти мутации изменяют морфогенез мозга, распределение клеток в мозге, свойства нейронов. Мыши с неврологическими мутациями характеризуются нарушениями движений, походки, аномалиями позы, отклонениями в поведении и в способности к обучению. Неврологические мутации мыши имеют аутосомную локализацию. Они, за редкими исключениями, рецессивны, их наиболее частый и заметный морфологический дефект – недоразвитие органов внутреннего уха и/или мозжечка. Влияние мутации reeler и weaver на окончательное положение нейронов в мозжечке осуществляется двумя независимыми нейрогенетическими механизмами – миграцией клеток и распределением их по слоям. При мутации reeler (rl) замедляется развитие гранулярных клеток и отмечается их ускоренная гибель. Нарушение цитоархитектоники мозжечка, коры и гиппокампа наиболее заметный эффект мутации reeler. При данной мутации выявлены отклонения в продолговатом мозге, базальных ганглиях, распределении на нейронах рецепторов разных классов. Таким образом, нормальный аллель гена обеспечивает, связь во времени и пространстве процессов миграции и созревания клеточных элементов. При мутации rl нарушаются некоторые виды поведения: реакции пассивного избегания, поведение в радиальном лабиринте и водном лабиринте, навыки поиска пищи. При мутации weaver дефект мозжечка обусловлен отсутствием миграции гранулярных клеток и последующей их дегенерацией, что может приводить к судорогам. При мутации tottering (tg – ген локализован в 8-й хромосоме) наблюдается целый ряд аномальных фенотипических признаков. К их числу относятся повышенное содержание в мозге норадреналина и снижение числа адренорецепторов на нейронах продолговатого мозга, клетках новой коры, гиппокампа, коры мозжечка. При этом размеры мозга и число норадренергических нейронов остается в норме, но снижается чувствительность к норадреналину. На этом фоне у мутантов tg/tg периодически возникают судорожные припадки. Судороги вызываются также мутации демиелинизации (например, quacking), а также -weaver, Lurcher. Судороги в ответ на действие сильного звука (так называемая аудио-генная эпилепсия) обнаружены у мышей линии 10J/HY, у которых мутация локализована в локусе, отвечающем за репарацию ДНК. Примером еще одного типа нарушений регуляторных процессов нейрогенеза является мутация stambler, которая не нарушает структуру мозжечка, но уменьшает число гранулярных клеток, и клеток Пуркинье. К уменьшению клеток Пуркинье приводит также мутация staggerer (sg, 9-я хромосома, гибель почти 75% клеток Пуркинье). Эта мутация нарушает гнездостроительное и материнское поведение. Мышь-самка с не поедает плаценту и не вылизывает новорожденных мышат, не собирает детенышей в гнездо, а, наоборот, разбрасывает их. Она даже не перекусывает пуповину. Показано, что при мутации sg изменены уровни лютеинизирующего и фолликулостимулирующего гормонов в плазме крови. При мутации nervous (nv), также повреждающей клетки Пуркинье мозжечка и его центральные ядра, изменяется моторика и исследовательское поведение, что указывает на нарушение адаптации к внешним условиям. При некоторых неврологических мутациях, затрагивающих внутреннее ухо и органы равновесия, полностью отсутствует способность к плаванию. У мозжечковых мутантов плавание нарушено меньше, чем ходьба. В процессах развития нервной ткани важная роль также принадлежит временному режиму экспрессии генов, механизмы которого тесно связаны с процессами межтканевых и межклеточных взаимодействий. Наиболее хорошо изучены так называемые протоонкогены, или быстрые гены раннего действия, относящиеся к семействам генов c-fos, c-jun и др. Эти гены кодируют белки, являющиеся факторами транскрипции, которые определяют включение в работу других генов и групп генов, или же их репрессию. Экспрессия этих генов оказывается, первым событием в каскаде, ведущем к изменению работы генетических элементов в ряде структур мозга. Она проявляется через очень короткий промежуток времени после некоторых физиологических и патологических воздействий на мозг. 1.4. Исследование поведения у трансгенных мышей Трансгенных мышей получают путем введения в их геном нового генетического материала – это может быть измененный ген, уже имеющийся у реципиента, или ген от животного другого вида, например крысы. Выделенный фрагмент ДНК вводится в геном реципиента разными способами. Во-первых, можно произвести прямую инъекцию ДНК в оплодотворенную яйцеклетку. Во-вторых, используя вектор ретровируса, можно ввести ДНК в развивающийся эмбрион (стадия морулы). Третий способ – это введение в бластоцисту стволовых эмбриональных клеток с измененным геномом. Интересные результаты получены при исследовании поведения мышей с мутантным геном, кодирующим дофаминовый рецептор D-1. У этих животных вполне нормальная координация движений. Размер мозга у мышей-нокаутов был несколько меньше, однако общее анатомическое строение мозга не менялось. Наиболее интересной особенностью у таких мышей было отсутствие в нейронах стриатума специфичных для D-1 рецепторов, хотя нейроны, на которых такие рецепторы находятся были в норме. Важной особенностью поведения мышей, лишенных рецепторов класса D-1, было отсутствие активирующего эффекта введения кокаина. Такие мыши являются перспективной моделью для изучения механизмов влияния наркотических веществ на мозг. Метод создания трансгенных животных дает ценнейшие данные о специфических функциях генов, влияющих на развитие мозга. Создание подобных моделей необходимо также и для практических целей, например, для создания мышей без нуклеотидной последовательности, кодирующей так называемый прионный белок. Эти белки вызывают целую группу нейродегенеративных заболеваний, резко нарушающих поведение животных. Например, болезнь овец – скрэпи, от которой ежегодно погибают тысячи животных. В связи с этим практическая задача состоит в создании овец-нокаутов. На первом этапе были получены мыши-нокауты по гену прионного белка. Они вполне жизнеспособны и внешне не отличаются от обычных. В пределах нормы сохраняется также обучение пространственному навыку – ориентации в водном лабиринте. Были также получены мыши с полностью выключенной функцией гена Dvll. Животные оказались жизнеспособными, фертильными, у них не было морфологических отклонений в мозге, но отмечались некоторые особенности поведения и физиологии. Во-первых, была нарушена работа в слухового и тактильного анализаторов. Во-вторых, неожиданно выяснилось, что у них произошло снижение социальных контактов. Обнаружилось это следующим образом. Отличительной особенностью поведения мышей линии 129/SvSv является это "подстригание усов (вибрисс)" соседям по клетке, так что по достижении взрослого состояния значительный процент животных оказывается лишенным вибрисс. Гомозиготные мыши-нокауты по гену Dvll сохраняли свои усы в целости, что объяснилось резким уменьшением социальных контактов между этими животными. У них было нарушено и гнез-достроительное поведение. 1.5. Влияние перестроек кариотипа на поведение мышей Хромосомные аберрации в разной степени нарушают баланс физиологических процессов в организме и влияют на функцию ЦНС. Характер влияния хромосомных перестроек на поведение может зависеть от типа хромосомной перестройки. Одним из первых был проведен анализ поведения мышей-носителей так называемых «робертсоновских транслокаций". Робертсоновская транслокация – это слияние двух акроцентрических (т. е. палочковидных) хромосом с образованием одной мета- или субметацентрической. Цитогенетические исследования показывают, что количество генетического материала при этих транслокациях не изменяется. Мыши-носители таких хромосомных перестроек заметно не отличаются по физическому развитию или плодовитости, но неодинаковы по способности решать экстраполяционные задачи (по Л.В. Крушинскому). Мыши со слиянием ряда хромосом (6 и 15, 9 и 14, 16 и 17, 5 и 19) задачи решали также, как контрольные линейные мыши без транслокаций. Однако, мыши разных линий со слиянием 8 и 17 хромосом решали задачи лучше, но хуже ориентировались в пространстве. Установлено, что данная транслокация влияет на функцию ЦНС. Считается, что это вызвано «эффектом положения» т.е. изменением функции генетических элементов в зависимости от их местоположения в геноме. Возможно также, то изменение пространственного расположения хромосом в интерфазном ядре, влияет на процессы экспрессии некоторых генов.